《Mechanics of Solid Polymers》3.3.2-3.4失效模式
3.3.2 失效建模
在设计零件时，最明显的标准可能是，它在预期寿命内的正常使用中不应发生失效。在这里，失效被定义为材料失效或因新材料表面和部分的生成而发生的断裂。失效是断裂和破裂的统称，其中破裂是一种特殊的失效模式，失效通过局部变薄直到一点发生，见图3.8。断裂和破裂都可以在单调加载或循环加载下发生。请注意，破裂是一种较为罕见的事件，只在最具延展性的聚合物中出现。失效可能由不同的机制引起，并且有不同的类型；例如，单调过载、循环疲劳或磨损。对于聚合物，失效也常常是机械负载和环境暴露导致的材料降解的结合。这种机械负载和材料降解的组合通常被称为环境应力开裂（ESC）。以下示例说明了常见失效场景的分析。
示例：水过滤器的失效
聚合物组件的失效通常可以归因于以下一个或多个原因：
材料选择；
零件设计；
制造工艺；以及
服役/环境条件。
这个例子说明了因材料选择和零件设计的结合而导致的失效。这次失效的组件是一个水净化系统。水过滤器由进水口、装有净化剂的水箱和出水口组成。在这个案例中，水过滤器经常因为连接头从水箱上断裂而失效。连接头底部的螺纹区域由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)制成。通过检查断裂零件的断裂表面，很明显断裂的起始点是连接头顶部的螺纹。为了研究失效模式，创建了一个二维轴对称有限元模型来评估连接头的应力水平，如图3.9所示。
图3.9 在装配状态下，连接头和水箱之间的内部O型圈发生严重变形
图3.10展示了连接头在装配状态下的应力云图。该图显示在塑料头部的螺纹附近存在应力集中。最大Mises应力达到了聚合物屈服应力的65%。应力分析的结论是，材料本身没有缺陷，设计需要修改以减少应力，或者应该使用不同的材料。
图3.10 装配状态下连接器头部的Mises应力云图
示例：波纹管的失效
在一家化工厂中，用于输送三氧化硫(SO3)的波纹聚四氟乙烯(PTFE)软管出现了故障。软管的外层由编织不锈钢制成，内部衬有波纹PTFE衬里。随着时间的推移，一小部分SO3通过PTFE衬里渗透到承载负载的不锈钢编织层，因与SO3和外部水的相互作用逐渐腐蚀。最终，在一个区域，所有的不锈钢都被腐蚀掉了，轴向载荷和内压直接作用在PTFE衬里上。在不锈钢被腐蚀掉的区域，PTFE衬里无法承受施加的载荷而破裂，导致SO3泄漏，并引发了环境问题。
为了更好地了解故障事件以及发生故障时的内压，进行了有限元分析（FEA）。图3.11和3.12展示了该分析的两个结果示例。图3.11显示了软管横截面的变形形状，以及最大主应力的等值线。在该模拟中，施加的温度为100°C，内压为120 kPa，结果显示在负载施加后1秒的情况。
图3.12显示了相同载荷情境的结果，但本例中的结果是在施加载荷后60秒时的结果。显然，衬垫在这个温度和施加的压力下经历了较大的粘塑性变形。另外，还要注意，最大应力的位置随着时间的推移从内表面转移到外表面。
图3.11 最大主应力的云图（以MPa为单位）T = 100 ◦C, P = 120 kPa, F = 0 N, t=1 s
图3.12 最大主应力的云图：T = 100 ◦C, P = 120 kPa, F = 0 N, t= 60 s
3.4 练习题
聚合物和金属之间有哪些关键区别？
有限元模拟所需的三种输入类型是什么？
显式和隐式有限元模拟之间有哪些关键区别？何时适合进行隐式模拟，何时适合进行显式模拟？
解释材料模型和本构模型之间的区别。
聚合物组件可能失效的四个最常见原因是什么？
