Comsol聚酯材料PET的力学性能计算

1. PET材料结构力学分析

1.1结构力学原理

      结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科，它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科。结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应（外力，温度效应，施工误差及支座变形等）作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算，位移（线位移，角位移）计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应（自振周期，振型）的计算等。结构力学通常有三种分析的方法：能量法，力法，位移法，由位移法衍生出的矩阵位移法后来发展出有限元法，成为利用计算机进行结构计算的理论基础。

      结构的力学实验通常要耗费较多的人力、物力和财力，因此只能有限度地进行，特别是在结构设计的初期阶段，一般多依靠对结构部件进行理论分析和计算。

      理论计算主要有两方面内容：（1）计算模型工程结构的形式很多，它们的联结方式也各不相同。并且，在实际结构中还存在局部的加强和削弱。因此，在理论计算时必须采用一些假设，把实际结构简化成理想的典型结构，即简化成计算模型，然后再进行理论计算。如果简化得合理，而且数学方法选用得当，计算就比较容易，结果也能较接近实际。计算模型的选定，与所要采用的计算方法和计算工具有关。使用古典方法和解析数学，计算模型就不能太复杂；若使用有限元法和电子计算机，计算模型就可以包含更多的因素。目前，对于计算模型的选取尚无统一的方法，大多凭经验或通过对类似结构的比拟分析来确定，然后通过实验加以验证并改进。（2）计算方法计算模型确定后，就要进行结构和结构部件的基本设计计算，即运用各种力学方法，求出结构内部的受力和变形状态以及结构的破坏极限载荷，用以检验真实结构是否满足工程设计的要求。最基本的结构计算方法是位移法和力法。位移法适于编制通用程序，在大型电子计算机出现后发展较快；力法可以直接求出内力，且误差较小，也在发展中。

1.2 PET材料

      聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），化学式为(C10H8O4)n，是由对苯二甲酸二甲酯与乙二醇酯交换或以对苯二甲酸与乙二醇酯化先合成对苯二甲酸双羟乙酯，然后再进行缩聚反应制得。属结晶型饱和聚酯，为乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽，是生活中常见的一种树脂，可以分为APET、RPET和PETG。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。

      PET材料主要应用为电子电器方面有：电气插座、电子连接器、电饭煲把手、电视偏向轭，端子台，断电器外壳、开关、马达风扇外壳、仪表机械零件、点钞机零件、电熨斗、电磁灶烤炉的配件；汽车工业中的流量控制阀、化油器盖、车窗控制器、脚踏变速器、配电盘罩；机械工业齿轮、叶片、皮带轮、泵零件、另外还有轮椅车体及轮子、灯罩外壳、照明器外壳、排水管接头、拉链、钟表零件、喷雾器部件。

   

图1. PET材料

模型简介

在Comsol软件中根据真实的PET材料的几何尺寸搭建了几何计算模型，具体计算模型和材料参数如图2和3所示。

   

图2. PET力学计算模型

   

图3. 材料参数设置

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物理场边界条件

PET材料一端施加F外力（且F外力的大小进行参数扫描设置）进行拉伸，一端进行固定约束，物理场及边界条件设置如图4所示，网格剖分及质量分布如图5所示。

   

图4. 物理场仿真边界条件

   

图5. 网格划分及质量分布图

结果展示

   通过计算，得到PET材料的力学分布如下所示。

   

图6. PET位移场分布

   

图7. PET应力场分布

   

图8. PET荷载分布

   

图9. PET位移形变量随施加力的大小变化