基于网络解缠与屈服的热力学一致模型：聚碳酸酯背应力网络软化的多尺度模拟

本研究针对玻璃态聚碳酸酯(PC)在大变形循环剪切中的热力学响应难题，开发了整合快/慢弛豫组件的本构模型。通过新型背应力网络解缠(BSND)元件，首次实现了对运动硬化斜率渐进软化、各向异性屈服及绝热温升的精准预测，为无定形玻璃态聚合物的多物理场建模提供了范式。

　　

玻璃态聚合物如聚碳酸酯(PC)因其轻质高强的特性，在航空航天、汽车制造等领域应用广泛。然而，这类材料在复杂载荷下表现出的非线性力学行为——包括率依赖性屈服、后屈服软化、包辛格效应等——长期困扰着工程界。更棘手的是，其热-力耦合响应（如大变形导致的绝热温升）与微观网络解缠过程的关联机制尚未阐明。西安交通大学强度与振动国家重点实验室的研究团队通过创新性实验与建模，在《International Journal of Engineering Science》发表的研究破解了这一难题。

研究团队采用数字图像相关(DIC)技术和K型热电偶同步监测，对LEXAN? PC 9034开展多工况循环剪切实验。基于热力学框架(Coleman & Gurtin, 1967)，构建了包含快/慢弛豫并联组件的三维大变形模型。其中慢弛豫组件引入革命性的背应力网络解缠(BSND)元件，通过演化方程描述网络拓扑重构。参数识别阶段整合了超声弹性各向异性测试与分子动力学(MD)模拟数据。

Materials, methods, and experiments
实验采用0.5英寸厚PC板材，在配备热环境舱的MTS试验机上完成。数字图像相关系统捕捉全场应变，热电偶记录温度场演化。新发现的循环剪切数据揭示了背应力软化与温度场的强耦合效应。

Constitutive model
模型通过BSND元件实现三大突破：(1) 运动硬化斜率随循环载荷扩展逐渐衰减；(2) 弹性各向异性转变与实验观测吻合；(3) 绝热温升预测误差<5%。热力学一致性通过严格满足Clausius-Duhem不等式实现。

Identification of parameters
参数识别策略创新性地结合了不同PC变体的压缩/拉伸数据库，重点规避颈缩等非均匀变形数据。通过逆向优化确定BSND元件的8个特征参数，其物理意义均对应微观解缠动力学。

Results and discussion
模型在-40°C至120°C、10^-4
-10³
s^-1
应变率范围内验证成功：压缩预测优于拉伸（R²

0.92），首次再现了反向加载时包辛格效应的应变幅依赖性。绝热温升预测与新型循环剪切实验数据高度一致。

Concluding remarks
该研究建立了首个能同时描述PC机械响应与热耗散的统一框架。BSND元件的提出为理解玻璃态聚合物微观拓扑演化与宏观响应的关联提供了新范式，其热力学一致性设计为复杂工况仿真奠定了基础。未来可扩展至其他无定形聚合物体系，对增材制造工艺优化具有指导价值。