高密度聚乙烯管热熔焊接接头本构模型研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.04.012

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (4): 65-71.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.04.012

高密度聚乙烯管热熔焊接接头本构模型研究

赵兴民¹, 赵建平¹(), 燕集中²

^1.南京工业大学，南京 211816
^2.江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京 210036

收稿日期:2020-09-03 出版日期:2021-04-26 发布日期:2021-04-21
基金资助:
江苏省特种设备安全监督检测研究院项目(KJ(Y)2016017)

Study on Constitutive Model for Butt Fusion Welded Joint of High⁃density Polyethylene Pipe

ZHAO Xingmin¹, ZHAO Jianping¹(), YAN Jizhong²

^1.Nanjing Tech University，Nanjing 211816，China
^2.Jiangsu Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Nanjing 210036，China

Received:2020-09-03 Online:2021-04-26 Published:2021-04-21
Contact: ZHAO Jianping E-mail:jpzhao_njtech@163.com

摘要/Abstract

摘要：

采用实验方法研究高密度聚乙烯（PE?HD）热熔焊接接头区域的材料性能与管材本体的差异。按照ISO 21307标准方法形成热熔焊接接头后，去除内外卷边，设计接头取样方式并改进拉伸试样。通过不同应变率下管材和焊接接头的单轴拉伸试验，使用一种新的本构分析方法与Suleiman方法研究其本构模型差异，得到了模型参数随应变率变化的非线性关系。对比模型预测结果和试验结果，验证了非线性拟合本构模型的有效性和合理性，同时该模型可预测低应变率下（准静态）的应力应变曲线。结果表明，PE?HD焊接区域的弹性模量和屈服应力优于管材，但差别不明显。

关键词: 高密度聚乙烯, 管, 热熔焊接, 本构模型, 应力?应变

Abstract:

This paper reported an investigation on the material performance difference between the butt fusion welded joint and pipe body of high-density polyethylene （PE-HD） through an experimental method. With the formation of the butt fusion welded joint according to the ISO 21307 standard method， the inner and outer crimps were removed， and the joint sampling method was design to improve the tensile specimen. A new constitutive analysis and a Suleiman method were used to study the difference of constitutive models through the tensile testing of pipes and welded joints at different strain rates. The nonlinear relationship between model parameters and strain rate was obtained. Through comparing the model prediction and test results， the effectiveness and rationality of the nonlinear fitting constitutive model were verified. The model can predict the stress-strain curve under a low strain rate， providing a basis for engineering practice and finite element analysis. The results indicated that the elastic modulus and yield stress of the PE-HD welding area were better than the pipe， but the difference was not obvious.

Key words: high-density polyethylene, pipe, butt fusion welding, constitutive model, stress-strain

中图分类号:

TQ 323.1⁺2

赵兴民, 赵建平, 燕集中. 高密度聚乙烯管热熔焊接接头本构模型研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(4): 65-71.

ZHAO Xingmin, ZHAO Jianping, YAN Jizhong. Study on Constitutive Model for Butt Fusion Welded Joint of High⁃density Polyethylene Pipe[J]. China Plastics, 2021, 35(4): 65-71.

图/表 16

图1 从PE?HD管热熔接头取焊接试样

Fig.1 Welding samples taken from butt fusion joints

图2 改进后的拉伸试样

Fig.2 Tensile specimen after modification

图3 管材拉伸试样的应力?应变曲线

Fig.3 Stress?strain curves of pipe tensile specimen

图4 焊接拉伸试样的应力?应变曲线

Fig.4 Stress?strain curves of welded tensile specimen

图5 线性拟合结果

Fig.5 Results of linear fitting

类型	$应变率$ /s^?1	a	B	R
管材	0.1	0.000 482 1	0.000 311 8	0.998 30
	0.01	0.000 655 8	0.000 346 4	0.999 34
	0.001	0.000 693 6	0.000 351 9	0.999 45
	0.000 1	0.000 869 3	0.000 412 4	0.999 49
	0.000 01	0.001 260 0	0.000 463 6	0.999 17
接头	0.1	0.000 359 1	0.027 250 0	0.994 27
	0.01	0.000 452 2	0.028 980 0	0.998 99
	0.001	0.000 594 9	0.033 100 0	0.999 16
	0.00 01	0.000 740 6	0.037 410 0	0.999 00
	0.000 01	0.000 940 5	0.047 050 0	0.999 22

类型	$应变率$ /s^?1	a	B	R
管材	0.1	0.000 482 1	0.000 311 8	0.998 30
	0.01	0.000 655 8	0.000 346 4	0.999 34
	0.001	0.000 693 6	0.000 351 9	0.999 45
	0.000 1	0.000 869 3	0.000 412 4	0.999 49
	0.000 01	0.001 260 0	0.000 463 6	0.999 17
接头	0.1	0.000 359 1	0.027 250 0	0.994 27
	0.01	0.000 452 2	0.028 980 0	0.998 99
	0.001	0.000 594 9	0.033 100 0	0.999 16
	0.00 01	0.000 740 6	0.037 410 0	0.999 00
	0.000 01	0.000 940 5	0.047 050 0	0.999 22

表1 Suleiman线性回归结果

Tab.1 Results of Suleiman linear regression

表1 Suleiman线性回归结果

Tab.1 Results of Suleiman linear regression

应变率/s^?1	E_t/MPa
应变率/s^?1	管材	接头
0.1	2 074.129	2 784.856
0.01	1 524.855	2 211.479
0.001	1 441.712	1 681.008
0.000 1	1 150.245	1 350.309
0.000 01	793.651	1 063.320

表2 管材和焊接试样初始模量

Tab.2 Initial modulus of pipe and the welded specimen

图6 不同应变率下管材和焊接接头的弹性模量

Fig.6 Elastic modulus of pipe and welding joint at different strain rates

参数	管材	接头
a	0.000 346 98 $ε ˙$ ^{-0.103 83}	0.000 284 19 $ε ˙$ ^{-0.104 14}
b	0.000 276 51 $ε ˙$ ^{-0.043 49}	0.022 076 14 $ε ˙$ ^{-0.062 64}

参数	管材	接头
a	0.000 346 98 $ε ˙$ ^{-0.103 83}	0.000 284 19 $ε ˙$ ^{-0.104 14}
b	0.000 276 51 $ε ˙$ ^{-0.043 49}	0.022 076 14 $ε ˙$ ^{-0.062 64}

表3 参数拟合结果

Tab.3 Results of parameter fitting

表3 参数拟合结果

Tab.3 Results of parameter fitting

图7 弹性模量

Fig.7 Elastic modulus

图8 实际应力应变与非线性模型对比

Fig.8 Comparison between strain?stress from experiment and nonlinear models

$k i$	Base		Weld
$k i$	$α i$	$β i$	$α i$	$β i$
1	2 062.148 00	0.069 36	2 167.846 00	0.065 67
2	37.080 40	0.066 16	37.136 74	0.061 89
3	-0.672 01	0.049 89	-0.706 81	0.042 15

$k i$	Base		Weld
$k i$	$α i$	$β i$	$α i$	$β i$
1	2 062.148 00	0.069 36	2 167.846 00	0.065 67
2	37.080 40	0.066 16	37.136 74	0.061 89
3	-0.672 01	0.049 89	-0.706 81	0.042 15

表4 管材和焊接接头的拟合常数?αi和βi

Tab.4 Fitting constants of base and welded joints αi and βi

表4 管材和焊接接头的拟合常数?αi和βi

Tab.4 Fitting constants of base and welded joints αi and βi

图9 管材和焊接接头本构方程参数ki拟合

Fig.9 Fitting constitutive equation parameter ki of the weld and base

图10 焊接区域屈服应力的相对误差

Fig.10 Relative error of yield stress in the weld

图11 不同应变率下的屈服应力

Fig.11 Yield stress at different strain rates

图12 非线性模型预测不同应变率下的应力?应变曲线

Fig.12 Stress?strain curves of nonlinear model predicts at different strain rates

参考文献 14

1	SULEIMAN M T， & COREE B J. Constitutive Model for High density Polyethylene Material： Systematic Approach［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2004， 16（6）： 511⁃515.
2	罗翔鹏. 聚乙烯管电熔接头慢速裂纹扩展研究［D］.浙江：浙江大学，2017.
3	徐成. 聚乙烯管韧性失效寿命预测方法研究［D］. 浙江：浙江大学，2012.
4	陈锦裕，王佳，曾多. PE80聚乙烯管道焊接接头的应力松弛模型验证及安全评价［J］. 中国塑料， 2018， 32（06）： 112⁃118.
	CHEN J Y，WANG J，ZENG D. Stress Relaxation Model and Safety Assessment of Polyethylene Pipe Welded Joints［J］. China Plastics， 2018， 32（06）： 112⁃118.
5	黄筑平，陈建康，王文标. 有限变形热黏弹性本构关系的内变量理论［J］. 中国科学（A辑）， 1999， 29（10）： 939⁃944.
	HUANG Z P，CHEN J Q，WANG W B. The Internal Variable Theory of Finite Deformation Thermoviscoelastic Constitutive Relationship［J］. Scientia Sinica（Mathematica），1999， 29（10）： 939⁃944.
6	QIAO J，WU Y D， LI L Q. Effect of Filler Content on the Stress Relaxation Behavior of Fy Ash/polyurea Composites［J］. Polymer Testing， 2020：81.
7	DROZDOV A D， DEC. Christiansen J. Viscoelasticity and Viscoelasticity of Semicrystalline Polymers： Structure⁃Property Relations for High⁃Density Polyethylene［J］. Computational Materials Science， 2007. 39（4）： 729⁃751.
8	DROZDOV A D， CHRISTIANSEN J D， KLITKOU R， et al. Viscoelasticity and Viscoplasticity of Polypropylene/ Polyethylene Blends［J］. International Journal of Solids and Structures， 2010， 47（18/19）： 2 498⁃2 507.
9	ZHANG C， MOORE I D. Nonlinear Mechanical Response of High Density Polyethylene. Part I： Experimental Investigation and Model Evaluation［J］. Polymer Engineering & Science，1997，37（2）： 404⁃413.
10	ZHANG C， MOORE I D. Nonlinear Mechanical Response of High Density Polyethylene. Part II： Uniaxial Constitutive Modeling ［J］. Polymer Engineering & Science， 1997， 37（2）： 414⁃420.
11	.Plastics Pipes and Fittings Butt Fusion Join⁃ting Procedures for Polyethylene （PE） Piping Systems［S］.2017.
12	SULEIMAN M T， LOHNES R， WIPF T， et al. Analysis of Deeply Buried Flexible Pipes［J］. Transportation Research Record⁃Serise， 2003， 1849： 124⁃134.
13	CAMPBEL L R， MENEGON L. Transient High Strain Rate During Localized Viscous Creep in the Dry Lower Continental Crust （Lofoten， Norway）［J］. Journal of Geophysical Research，Solid Earth， 2019， 124（10）： 10 240⁃10 260.
14	YURINDATAMA D，BARSOUM I. Constitutive Mo⁃del and Failure Locus of a Polypropylene Grade Used in Offshore Intake Pipes［J］. Polymer Testing， 2017， 57： 245⁃259.

[1]	李凯泽, 辛勇. 改性碳纳米管增强热塑性聚氨酯复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 1-5.
[2]	王帅, 张玉迪, 杨富凯, 徐新宇. 聚酰亚胺/多壁碳纳米管泡沫材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 39-45.
[3]	祝景云, 衣惠君, 鄢薇, 李大伟. 合成膜专用聚乙烯树脂原料的研发[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 77-80.
[4]	李梦琪, 陈雅君. 纳米材料阻燃聚乳酸的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 102-114.
[5]	彭菁, 肖达, 吴映江, 李兵, 张龙, 李泽刚. 塑料结构壁排水管的国家与国际标准对比分析[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 135-141.
[6]	何毅, 赵广慧. 复合材料增强修复油气管道的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 70-82.
[7]	陈腾飞, 莫琪棉, 张世勋, 曹伟. 高弹态耐冲击聚苯乙烯本构模型分析[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 89-94.
[8]	宋仁达, 武高健, 陈俊翔, 张有忱, 杨卫民, 谢鹏程. 微孔发泡PP/PET/CNTs复合材料的制备及其电磁屏蔽效能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 1-7.
[9]	张学敏, 侯林, 冯金茂, 姚钟梁, 钟明强. 在役埋地聚乙烯给水管道自然老化行为研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 49-55.
[10]	李波, 龚军, 金学义, 孟晓宇. 碳纳米管改性方法对聚酰胺11性能影响研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 61-66.
[11]	李永青, 杨小龙, 陈文静, 闫晓堃, 马秀清. 改性剂及高密度聚乙烯插层和剥离蒙脱石的分子动力学模拟[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 67-74.
[12]	黄微, 柳和生, 黄兴元, 张伟, 匡唐清, 陈忠仕. 方管短玻璃纤维增强聚丙烯高压水穿透行为研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(2): 82-88.
[13]	王雅珍, 刘新雨, 董少波, 兰天宇, 祖立武. 相容剂对PE⁃HD/玉米秸秆生物炭复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 128-134.
[14]	王振超, 张莹, 彭伊娟, 余溪, 张秋菊. 聚乙烯管道热熔接头可靠性评价方法研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 148-159.
[15]	常频, 张毅, 孙峰, 乔亮, 范峻铭. 基于冲压试验的聚乙烯力学性能预测[J]. 中国塑料, 2022, 36(1): 25-31.

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Study on Constitutive Model for Butt Fusion Welded Joint of High⁃density Polyethylene Pipe

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