聚氨酯及其碳纖維復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(SME)特性，即在受到光、電、熱、磁等刺激之后可從臨時形態(tài)回復到初始狀態(tài)的一類材料。形狀記憶高分子及其復合材料主要應用領域包括空間展開結(jié)構（鉸鏈、桁架等）、變形機翼蒙皮、可折疊機翼、生物學仿生儀器、高分子紡織、生物自愈合體系等。其中，設計機構簡單、變形效率高、成本低的智能變形結(jié)構具有十分重要的現(xiàn)實意義。實踐證明，利用形狀記憶效應可以顯著提高結(jié)構的折疊率，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、響應速度快、經(jīng)濟合理的優(yōu)點。開展相關領域的基礎理論研究，將為形狀記憶高分子及其復合材料的應用奠定基礎，同時為我國智能飛行器的研究和發(fā)展提供技術儲備，具有十分重要的意義。
　　本文應用有限元模擬方法，結(jié)合高分子粘彈性理論、纖維增強樹脂基復合材料力學理論建立三維有限元模型，對形狀記憶高分子及其復合材料的形狀記憶行為特點以及影響形狀

3、記憶行為的因素進行了模擬分析。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的影響。對預變形溫度、預變形速率和預變形程度三個影響因素對形狀記憶效應開展靈敏度分析。
　　基于熱力學和各向同性粘彈性力學以及高聚物結(jié)構與性能關系等理論基礎，結(jié)合熱膨脹理論，利用COMSOL Multiphysics4.3a軟件，實現(xiàn)了多物理場耦合，對聚氨酯彎曲形狀記憶回復過程中應力、變形程度隨溫度的變化

4、規(guī)律進行了分析，建立了高分子形狀記憶過程中溫度-應力-變形程度的關系曲線。并基于這一模型，討論了形狀記憶效應關于影響因素的靈敏度。結(jié)果表明形狀回復率與升溫速率關系較大，形狀回復力主要受預變形程度影響。
　　(2)數(shù)值分析連續(xù)纖維增強樹脂基復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的影響，開展了形狀記憶效應影響因素的靈敏度分析。
　　基于熱力學、纖維增強復合材料力學和各向異性粘彈性力學等理論，建立了單向纖維增強樹脂

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