玻璃材料超高静水压压密过程的力学机理研究

玻璃材料在高压状态下的变形行为是国际的一个热点问题，吸引了力学界、物理界科学家的极大兴趣，涉及到非线性力学、高压物理、非晶物理、应用物理、地球物理等学科。永久的压密行为是超高静水压最基本的特征。通过分析多种玻璃材料的高压变形行为，我们建立了一个本构模型来反映其变形机理。模型假设是在纯静水压状态下，剪切力可忽略时，引入新的屈服准则和流动规律来描述其压密行为。该过程包含三个阶段，即线弹性阶段，压密过程及饱和密实阶段。内置超高净水压实验数据和外置净水压试验数据都引入到我们的模型。我们通过Abaqus和Sidolo来模拟大体积变形条件下玻璃的变形行为，并结合优化分析，获得了具有物理意义的参数，即临界压力、饱和压密值、饱和压密时压力等。数值模拟结果与我们的实验数据获得了很好的对应。这将有助于我们理解玻璃材料超高净水下的压密行为，同时我们还可以预测材料本征性能的变化，比如泊松比、剪切模量、弹性模量等的改变。因此，可以通过我们的模型去分析玻璃材料在复杂环境下的变形行为。此外，我们发现材料致密化的过程中，内部微观结构也同时发生了变化。比如二氧化硅玻璃，它初始是正四面体金字塔结构，随着压力的增加内部五面体结构、六面体结构就逐步产生了。当压密饱和时，材料的四面体结构保持了稳定。同时，我们发现不同玻璃材料内部致密度的饱和值不一样是源自于其初始微观结构不同。总之，我们的研究希望能帮助更多人理解更多材料在超高压力作用的变形行为。 2100433B

玻璃压密现象在凝聚态物理和固体力学方向是一个非常重要的科研问题，但至今尚未被完全理解。近年来，Science、Physical Review Letters (PRL)等权威杂志报道了二氧化硅玻璃（Rouxel et al.， PRL 2008，Sato et al., PRL 2008, Nature Communication 2011），金属玻璃( Zeng et al., PRL 2010，Science 2011) 等在超高压下的变形特征和力学性能。二氧化硅玻璃在完全致密的情况下，密度可以增加达到20%，二氧化硅窗户玻璃密度增加6-7%，而金属玻璃的密度仅增加1-2%。由于玻璃的脆性和超高静水压实验的难度大，我们拟建立一个基于体积大变形的弹塑性本构方程来模拟玻璃材料的高压变形行为，理解玻璃材料的高压压密变形的力学机理，并进一步阐释其压密特征与材料结构的关联。

《玻璃材料破坏过程的数值模拟与分析》利用断裂力学的研究方法，借助于统计学和现有的数值计算方法，以实验结果为基础来建立数值模型，进行了玻璃材料双向应力状态下断裂失效过程的数值模拟。研究目的即是要搞清玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展究竟受不受平行于裂纹的应力影响。如受到平行于裂纹的应力影响，应变能释放率G、应力强度因子K、J积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数在单轴应力下的等效关系在双轴应力下是否还成立"_blank" href="/item/脆性材料/5329116" data-lemmaid="5329116">脆性材料在双轴应力状态下的裂纹扩展由什么参数决定"sup--normal" data-sup="1" data-ctrmap=":1,"> [1]

全书共分6章，　内容包括对玻璃材料在双向应力和单向应力下裂纹驱动力参数的关系和差异进行了数值模拟及理论研究，得出在双向载荷下，传统的K-G-J-δ等效关系不再成立的结论。证明了其中的两个参数G和δ与双向应力有关，　而另外两个参数K和J与双向应力无关；裂纹张开位移δ更适宜作为处于双向应力状态下材料断裂的评价标准。完成了玻璃材料在单向及双向平面应力状态下的阻力特性研究，并与相关的实验结果取得了较好的一致，表明了数值计算的可靠性。直接观察和演示了玻璃材料的失效全过程及裂纹的启裂、失稳扩展全过程，解决了玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展究竟受不受平行于裂纹的应力影响，及如何影响等问题；进一步研究了在双向应力比λ不同时，玻璃材料断裂力学参数应力强度因子Kic及裂纹张开位移δ的变化规律，进一步证明了双向应力对玻璃断裂及裂纹扩展的影响，也进一步验证了玻璃类脆性材料在双轴应力下的断裂是由裂纹张开位移δ决定的；对单向拉伸下含不同倾斜角度裂纹玻璃材料失效情况进行了数值模拟，重点研究了含不同裂纹角倾斜直通裂纹的玻璃材料试样在单向拉伸下的复合应力效应。证明了在这种情况下裂纹尖端存在的三种类型应力：KI、KII及平行应力对裂纹扩展有不同的作用；研究了玻璃材料的慢裂纹扩展和扩展速度所受双向应力的影响，并讨论这种影响的机理和作用。通过声发射特性的数值模拟得到玻璃类脆性材料在单向及双向应力状态下的亚临界裂纹扩展长度一荷载步曲线，得出平行干裂纹的拉应力对裂纹扩展有一定程度的阻碍作用，而平行于裂纹的压应力对裂纹有驱动效果的结论。在上述研究的基础上，运用研究结果验证了玻璃材料在双轴应力下应用应变断裂准则的可行性。2100433B

超高压压缩机的应用范围也是比较广泛的 , 如很早就用来压缩氢气 、氮气 。 近年来随石 科学技 术 的不断 发展 , 尖端技术的不 断涌现 , 国防 工业 的迅 速发展 , 化学工业中高速度发展起来的高分子合成工业的形成 , 特别是近年来高压法聚乙烯的出现和发展 , 给超高压压缩机的应用开辟了更为广阔的前景。现代，就世界范围看超高压压缩机主要应用于高压法聚乙烯的生产 。

中低压法聚乙烯由于触媒制造复杂 ，熔剂回收量大 ，产 品中含有难以完全除去的触媒残留杂质。 这样就大大影 响 了产 品 的 性育 。 超高压法聚乙烯就完全可以消除上述缺陷 , 同时其技术操作比中低压法简单 , 设 备

能 力也比较大 , 成本费用比低压法低40% 左右。同时从性能上看 ，高压法聚乙烯的密度低 , 机械性能好，弹性大等等 。

综 上所述 , 高压法聚乙烯 是大有发展前途的。产长产此种聚乙 烯所应用的超高压压缩机是其整套设备中最关键的设 备。乙烯气 体通过 超高 压压 缩机的压缩达到所需合成压 力而起聚合作用 ， 从而制成聚乙烯 。 由于聚 乙烯的迅速发展，极大地促进了超高压压缩机的必须相应发展 。

超高压压缩机（EHV compressor）是排气压力大于100 MPa的压缩机。主要用于高压法聚乙烯的生中，常作为增压压缩机。由于聚合反应率只有10%-30%，超高压压缩机所处理的气量比高压压缩机的工作压力大3一4倍左右。超高压压缩机有卧式、立式等类型。由于趋向大型化，为了能抵消一部分作用在活塞的活塞力，大都设计成气缸中心在一直线上的对置型结构。