聚氨酯及其碳纖維復(fù)合材料形狀記憶行為有限元模擬及靈敏度分析.pdf

1、形狀記憶材料是指具有形狀記憶效應(yīng)(SME)特性，即在受到光、電、熱、磁等刺激之后可從臨時形態(tài)回復(fù)到初始狀態(tài)的一類材料。形狀記憶高分子及其復(fù)合材料主要應(yīng)用領(lǐng)域包括空間展開結(jié)構(gòu)（鉸鏈、桁架等）、變形機(jī)翼蒙皮、可折疊機(jī)翼、生物學(xué)仿生儀器、高分子紡織、生物自愈合體系等。其中，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)簡單、變形效率高、成本低的智能變形結(jié)構(gòu)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。實(shí)踐證明，利用形狀記憶效應(yīng)可以顯著提高結(jié)構(gòu)的折疊率，并且減小折疊和展開時所需要的輸出功，降低能源消耗和

2、成本。從工程角度來看，形狀記憶高分子及其復(fù)合材料性能比金屬材料的更容易優(yōu)化和改善，而且具有質(zhì)輕、形變率高、響應(yīng)速度快、經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)點(diǎn)。開展相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究，將為形狀記憶高分子及其復(fù)合材料的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時為我國智能飛行器的研究和發(fā)展提供技術(shù)儲備，具有十分重要的意義。
　　本文應(yīng)用有限元模擬方法，結(jié)合高分子粘彈性理論、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料力學(xué)理論建立三維有限元模型，對形狀記憶高分子及其復(fù)合材料的形狀記憶行為特點(diǎn)以及影響形狀

3、記憶行為的因素進(jìn)行了模擬分析。研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)數(shù)值分析聚氨酯彎曲形狀記憶過程，并討論升溫速率對形狀記憶效應(yīng)的影響。對預(yù)變形溫度、預(yù)變形速率和預(yù)變形程度三個影響因素對形狀記憶效應(yīng)開展靈敏度分析。
　　基于熱力學(xué)和各向同性粘彈性力學(xué)以及高聚物結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系等理論基礎(chǔ)，結(jié)合熱膨脹理論，利用COMSOL Multiphysics4.3a軟件，實(shí)現(xiàn)了多物理場耦合，對聚氨酯彎曲形狀記憶回復(fù)過程中應(yīng)力、變形程度隨溫度的變化

4、規(guī)律進(jìn)行了分析，建立了高分子形狀記憶過程中溫度-應(yīng)力-變形程度的關(guān)系曲線。并基于這一模型，討論了形狀記憶效應(yīng)關(guān)于影響因素的靈敏度。結(jié)果表明形狀回復(fù)率與升溫速率關(guān)系較大，形狀回復(fù)力主要受預(yù)變形程度影響。
　　(2)數(shù)值分析連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料彎曲形狀記憶過程，并討論纖維含量對形狀記憶效應(yīng)的影響，開展了形狀記憶效應(yīng)影響因素的靈敏度分析。
　　基于熱力學(xué)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)和各向異性粘彈性力學(xué)等理論，建立了單向纖維增強(qiáng)樹脂

5、基復(fù)合材料形狀記憶效應(yīng)分析模型，結(jié)合COMSOLMultiphysics3.5a軟件，研究了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲形狀記憶效應(yīng)，建立了溫度-預(yù)變形程度-應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，討論了纖維含量對形狀記憶效應(yīng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維含量增加，最大回復(fù)力增大，形狀固定率有所下降。利用該模型針對纖維復(fù)合材料形狀記憶效應(yīng)對影響因素的靈敏度開展了數(shù)值分析。結(jié)果表明形狀回復(fù)率與升溫速率關(guān)系較大，形狀回復(fù)力主要受預(yù)變形程度影響。
　　(3)測試環(huán)氧樹