聚氨酯及其碳纤维复合材料形状记忆行为有限元模拟及灵敏度分析

摘要

形状记忆材料是指具有形状记忆效应(SME)特性，即在受到光、电、热、磁等刺激之后可从临时形态回复到初始状态的一类材料。形状记忆高分子及其复合材料主要应用领域包括空间展开结构（铰链、桁架等）、变形机翼蒙皮、可折叠机翼、生物学仿生仪器、高分子纺织、生物自愈合体系等。其中，设计机构简单、变形效率高、成本低的智能变形结构具有十分重要的现实意义。实践证明，利用形状记忆效应可以显著提高结构的折叠率，并且减小折叠和展开时所需要的输出功，降低能源消耗和成本。从工程角度来看，形状记忆高分子及其复合材料性能比金属材料的更容易优化和改善，而且具有质轻、形变率高、响应速度快、经济合理的优点。开展相关领域的基础理论研究，将为形状记忆高分子及其复合材料的应用奠定基础，同时为我国智能飞行器的研究和发展提供技术储备，具有十分重要的意义。
　　本文应用有限元模拟方法，结合高分子粘弹性理论、纤维增强树脂基复合材料力学理论建立三维有限元模型，对形状记忆高分子及其复合材料的形状记忆行为特点以及影响形状记忆行为的因素进行了模拟分析。研究内容和结果如下:
　　(1)数值分析聚氨酯弯曲形状记忆过程，并讨论升温速率对形状记忆效应的影响。对预变形温度、预变形速率和预变形程度三个影响因素对形状记忆效应开展灵敏度分析。
　　基于热力学和各向同性粘弹性力学以及高聚物结构与性能关系等理论基础，结合热膨胀理论，利用COMSOL Multiphysics4.3a软件，实现了多物理场耦合，对聚氨酯弯曲形状记忆回复过程中应力、变形程度随温度的变化规律进行了分析，建立了高分子形状记忆过程中温度-应力-变形程度的关系曲线。并基于这一模型，讨论了形状记忆效应关于影响因素的灵敏度。结果表明形状回复率与升温速率关系较大，形状回复力主要受预变形程度影响。
　　(2)数值分析连续纤维增强树脂基复合材料弯曲形状记忆过程，并讨论纤维含量对形状记忆效应的影响，开展了形状记忆效应影响因素的灵敏度分析。
　　基于热力学、纤维增强复合材料力学和各向异性粘弹性力学等理论，建立了单向纤维增强树脂基复合材料形状记忆效应分析模型，结合COMSOLMultiphysics3.5a软件，研究了单向纤维增强复合材料的弯曲形状记忆效应，建立了温度-预变形程度-应力之间的关系曲线，讨论了纤维含量对形状记忆效应的影响。结果发现纤维含量增加，最大回复力增大，形状固定率有所下降。利用该模型针对纤维复合材料形状记忆效应对影响因素的灵敏度开展了数值分析。结果表明形状回复率与升温速率关系较大，形状回复力主要受预变形程度影响。
　　(3)测试环氧树脂体系形状记忆高分子性能，实验研究其形状记忆行为。
　　对中航工业北京航空材料研究院提供的形状记忆环氧树脂进行了结构和性能分析，并通过DSC测试确定其玻璃化转变温度为76℃，通过应力松弛实验，探究其粘弹性性质。实验研究了环氧树脂形状记忆过程，分析了形状回复程度随着温度升高而变化的现象。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．1．1 形状记忆材料概述

1．1．2 形状记忆高分子与形状记忆合金性能比较

1．1．3 形状记忆高分子及复合材料应用现状

1．1．4 本文研究意义

1．2 形状记忆高分子及其复合材料形状记忆机理

1．2．1 形状记忆过程

1．2．2 形状记忆高分子结构特征

1．2．3 形状记忆过程中分子结构变化

1．3 形状记忆高分子及其复合材料研究模型

1．3．1 基于粘弹性形状记忆模型

1．3．2 基于相转变形状记忆模型

1．4 课题的提出和研究内容

1．4．1 课题的提出

1．4．2 研究内容

1．5 研究方案和技术路线

1．5．1 研究方案

1．5．2 技术路线

1．6 本文的内容安排

第2章 聚氨酯体系形状记忆高分子弯曲变形

2．1 引言

2．2 粘弹性理论基础

2．2．1 粘弹性理论概述

2．2．2 蠕变

2．2．3 应力松弛

2．2．4 Maxwell模型在形状记忆高分子有限元模拟中的应用

2．2．5 时温等效原理

2．3 有限元分析方法介绍

2．3．1 有限元分析简介

2．3．2 COMSOL Multiphysics软件基本介绍

2．4 聚氨酯弯曲变形下形状记忆过程模拟分析

2．4．1 模型建立

2．4．2 模拟结果与讨论

2．5 聚氨酯形状记忆过程灵敏度分析

2．5．1 灵敏度分析理论基础

2．5．2 灵敏度分析计算过程

2．6 本章小结

第3章 碳纤维增强聚氨酯形状记忆行为有限元模拟及灵敏度分析

3．1 引言

3．2 各向异性弹性力学理论基础

3．3 单向纤维增强聚氨酯形状记忆行为有限元模拟

3．3．1 形状记忆行为模拟流程图及研究内容

3．3．2 复合材料形状记忆分析模型建立

3．3．3 形状记忆模拟结果讨论

3．4 灵敏度结果分析

3．4．1 灵敏度参数取值

3．4．2 灵敏度计算结果及讨论

3．5 本章小结

第4章 环氧树脂体系形状记忆效应相关初步实验探究

4．1 引言

4．2 环氧树脂体系形状记忆效应分子结构及机理

4．3 环氧树脂粘弹性力学测试

4．3．1 DSC测试实验

4．3．2 应力松弛实验

4．4 环氧树脂形状记忆实验

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 研究结论

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读研究生期间学术成果