高密度聚乙烯热机械与动态行为本构模型研究：从材料表征到海底管道冲击性能预测

本研究针对高密度聚乙烯(HDPE)在海底管道等工程应用中面临的冲击载荷问题，系统校准了Johnson-Cook(JC)、三网络(TN)和三网络粘塑性(TNV)三种本构模型。通过多应变率(0.00333-2.187 sec-1)和温度(23-95°C)下的拉伸试验，结合落锤冲击验证(2-4 m/s)，发现TN模型能最准确预测HDPE的力学响应和损伤行为，为聚合物管道抗冲击设计提供重要理论工具。

　　

在能源运输领域，高密度聚乙烯(HDPE)管道因其优异的耐腐蚀性和经济性，正逐步替代传统金属管道成为海底油气输送的新选择。然而这些聚合物管道在复杂海洋环境中面临着船舶锚击、坠落物冲击等意外载荷威胁。更棘手的是，HDPE作为典型的半结晶聚合物，其力学行为表现出强烈的应变率敏感性和温度依赖性——在低温或高速冲击下可能脆化，而在高温或缓慢加载时又呈现显著粘弹性。这种复杂的非线性特性使得准确预测管道在事故工况下的结构响应成为工程设计的重大挑战。

为攻克这一难题，Khalifa University of Science and Technology的研究团队在《Polymer Testing》发表了一项系统性研究。研究人员创新性地将金属材料领域广泛应用的Johnson-Cook(JC)模型与新兴的聚合物专用本构理论——三网络(TN)和三网络粘塑性(TNV)模型进行对比研究，通过多尺度实验与数值模拟相结合的方式，首次建立了能精确预测HDPE管道在动态冲击下损伤演化的计算框架。

研究采用四大关键技术方法：1) 基于ISO 527标准的宽应变率(0.00333-2.187 sec^-1)拉伸试验；2) 多温度(23/60/95°C)环境下的力学性能测试；3) 符合ISO 6603-2标准的落锤冲击实验(1-4 m/s)；4) 基于Abaqus/Explicit的有限元逆向参数校准技术。特别通过数字图像相关(DIC)技术精确测量了HDPE的泊松比(0.419)和弹性模量(1.2 GPa)，为模型提供了关键输入参数。

【材料与方法】
研究选用双峰分布的HDPE(密度960 kg/m³)，通过压缩成型制备标准试样。创新性地采用带U/V/C型缺口的拉伸试样覆盖不同应力三轴度条件，结合非接触式激光引伸计，构建了涵盖弹性-塑性-损伤全过程的实验数据库。

【本构模型校准】
JC模型通过引入应变硬化、应变率硬化和热软化三项的乘积形式，以较少参数(8.86 MPa初始屈服应力)实现了基本响应预测。但TN模型通过分解三个分子网络(A/B/C)的贡献，采用八链模型(8-chain model)描述网络变形，更精确捕捉了HDPE从线性弹性到粘弹-粘塑性的转变(NMAD误差仅6.9%)。TNV模型虽引入体积塑性流动等新机制，但预测性能未显著提升。

【本构模型验证】
落锤冲击实验表明，TN模型对2 m/s凹陷损伤和4 m/s穿透损伤的力-时曲线预测误差最小。当冲击速度达到3 m/s时，JC和TNV模型因高估损伤累积而提前预测失效，而TN模型通过Christensen多项式应力失效准则，准确再现了实验观察到的渐进式穿孔过程。

【HDPE管道模拟应用】
针对SDR(标准尺寸比)9-27的管道模拟显示，TN模型成功预测了67 m/s的临界穿孔速度。值得注意的是，SDR17管道在80 m/s冲击下出现57.5 m/s残余速度，对应着典型的"局部变薄-颈缩-断裂"失效序列。参数分析揭示管道抗冲击能力与壁厚呈非线性正相关，为工程选材提供量化依据。

这项研究的意义在于建立了首个经多物理场实验验证的HDPE动态本构模型体系，特别是TN模型对复杂载荷下损伤演化的准确预测能力，解决了聚合物管道在极限工况下"测不准"的行业难题。研究提出的模型校准方法(如通过缺口试样构建失效轨迹)为其他高分子材料的本构建模提供了范式。实际工程价值体现在：1) 可精确计算不同SDR管道的最小安全壁厚；2) 预测海底管道受坠落物冲击时的临界能量阈值；3) 优化管道抗冲击防护设计。未来工作可扩展至循环载荷和化学腐蚀耦合工况下的材料模型开发。