(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210410929.6 (22)申请日 2022.04.19 (71)申请人 石家庄铁道大 学 地址 050034 河北省石家庄市长安区北二 环东路17号 (72)发明人 胡指南　宗怡雯　冯玉楚　杜永刚　 刘志春　孟硕朋　 (74)专利代理 机构 西安佩腾特知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61226 专利代理师 曹宇飞 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G01N 3/08(2006.01)G01N 3/10(2006.01) G01N 17/00(2006.01) G01N 1/42(2006.01) G01N 1/28(2006.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构 模型构建方法 (57)摘要 本发明海水老化的沉管隧道GINA止水带时 变本构模型构建方法， 属于沉管防水装备研究技 术领域， 其步骤包括获取不同老化温度下的应力 松弛曲线； 确定出GINA止 水带所用橡胶的老化性 能变化值P； 确定出GINA 止水带的应力 ‑应变关系 曲线； 获得全老化周期的应力 ‑应变关系曲线； 构 建出GINA止水带应力松弛与海水老化的本构模 型。 本发明能够实现对GINA 止水带服役状态的动 态监测， 为 GINA止水带的使用寿命评估和风险预 警提供基础。 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 CN 114818180 A 2022.07.29 CN 114818180 A 1.海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 1)选取GINA止水带试件， 对GINA止水带试件进行设计压缩量下的不同温度的海水加速 老化试验， 获取不同老化温度下的应力松弛曲线； 2)根据步骤1)的应力松弛曲线确定 出GINA止 水带老化后接触应力σ 和初 始接触应力σ0， 根据k＝σ /σ0确定出GINA止水带的老化系数k； 根据P＝σ ‑σ0确定出GINA止水带所用橡胶的老 化性能变化 值P； 3)根据时温叠加原理得到常温下的lnP随时间t变化的曲线， 得到方程式P＝exp(f (t))， f(t)为老化性能变化值P与时间t的变化函数； 根据GINA止水带的老化系数k与GINA止 水带所用橡胶的老化性能变化值P之间的关联确定出P＝(1 ‑k)σ0， 即得到GINA止水带的常 温老化系数k常＝1‑exp(f(t) )/σ0； 4)在环境温度 为23℃、 拉伸速度500mm/min的条件下对GINA止水带进行单轴拉伸试验， 确定出GI NA止水带的应力 ‑应变关系曲线； 5)用GINA止水带的常温老化系数k常对步骤(4)的应力 ‑应变关系曲线进行修正， 获得全 老化周期的应力 ‑应变关系曲线； 6)根据步骤5)的全老化周期的应力 ‑应变关系曲线， 结合Mooney ‑Rivlin模型构建出 GINA止水带应力松弛与海水老化的本构模型： σ ＝2( λ2‑λ‑1)(f(t)+g(t)λ‑1)； 其中， t为老化时间； λ为GINA止水带的伸长比； f(t)为C10随时间t变化的函数； g(t)为C01 随时间t变化的函数； C10和C01为Mooney ‑Rivlin模型的Rivlin系数， 其值由全老化周期的应 力‑应变关系曲线确定 。 2.根据权利要求1所述的海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法， 其 特征在于， 所述 步骤(6)具体为： 6.1)根据步骤4)中GINA止水带的单轴拉伸试验， 确定εi， 根据εi确定出GINA止水带的3 个伸长比λi， 分别记为 λ1、 λ2和 λ3， 求出Gre en应变张量不变量I1和I2， 如下式： λi＝1+ εi   (1) I1＝ λ12+λ22+λ32   (2) I2＝ λ12λ22+λ22λ32+λ12λ32   (3) 其中， I1为第一应变张量不变量， I2为第二应变张量不变量； λ1、 λ2和 λ3分别表示X轴方向 的伸长比、 Y轴方向的伸长比和Z轴方向的伸长比； εi为应变， i＝1、 2或3， 其中， ε1为X轴方向 的应变， ε2为Y轴方向的应 变， ε3为Z轴方向的应 变； 6.2)根据Gre en应变不变量 I1和I2， 确定出应 变能密度W 为： W＝C10(I1‑3)+C01(I2‑3)     (4) 其中， C10和C01为Mooney ‑Rivlin模型的Rivlin系数， 其值由全老化周期的应力 ‑应变关 系曲线确定； 6.3)通过Kirchhoff应力与Green应变的关系： 得出GINA 止水带老化后接触 应力σ 与伸长比λ之间的关系为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114818180 A 2将公式(4)对 I1、 I2求偏导数， 得出 则GINA止水带老化后接触应 力σ 伸长比λ之间的关系： σ ＝2( λ2‑λ‑1)(C10+C01λ‑1)   (6) 6.4)采用Ori gin软件基于全老化周期的应力 ‑应变关系曲线， 对公式(6)以非线性最小 二乘法进行参数识别， 获得全寿命周期ti下的C10和C01值， 根据C10和C01随老化时间变化的曲 线， 得出C10和C01随时间变化的函数f(t)和g(t)， 进而构建出GINA止水带应力松弛与 海水老 化的本构模型： σ ＝2( λ2‑λ‑1)(f(t)+g(t)λ‑1)          (7)。 3.根据权利要求2所述的海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法， 其 特征在于， 所述 步骤(1)中， 海水加速老化试验的条件为： 将肖氏硬度为50HS的止水带放在底板上， 用 压载板和压条进行约束， 参考TB/T2843 ‑ 2010标准， 采用额定荷载3000kN的压力机对止水带进行加载， 使其压缩量达到125mm后， 用 中板控制 压载板， 并在中板放置液体气体压力传感器， 用顶板压住， 将顶板、 中板和底板固 定后整体放置于聚丙烯塑料密封仓内， 填充2/3的天然海 水， 并分别在50～8 0℃范围内实时 采集海水中的GI NA止水带的接触 应力。 4.根据权利要求2所述的海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法， 其 特征在于， 所述 步骤(4)的单轴拉伸试验具体条件为： 将步骤(1)海水老化后的GINA止水带取出， 进行液氮冷却， 按GB/T528 ‑2009制备成哑铃 型试件， 在试件上涂润滑剂， 在室温23℃条件下以500mm/min的速度， 用万能试验机进行拉 伸试验。 5.根据权利要求4所述的海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法， 其 特征在于， 所述哑铃型 试件的总长为10 0mm， 厚度2.0m m， 试验段的初始试验长度为20.0m m。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114818180 A 3