轴向拉伸超弹性管局部失稳的理论分析和实验研究

摘要

超弹性高分子材料是一种性能独特而不可代替的高分子材料，在建筑工程、航空航天、国防军事、机械、生物工程以及其他领域都有广泛的应用。在现代工程和日常生活中的经常使用的超弹性薄壁管结构，在受内压和复合载荷的时候，往往会出现一定的失稳起鼓现象。这种特殊的起鼓现象会对结构的功能以及工程的安全性产生很大的危害，因此，对这种失稳起鼓现象进行深入的研究有十分重要的价值。本文从理论和实验两方面探究轴向拉伸载荷和内压联合作用下超弹性薄壁管的局部失稳起鼓，主要内容包括以下几方面：
　　采用实验室气体加载系统对轴向拉伸作用下的超弹性管进行充气实验，观察超弹性管内部压力的变化和失稳起鼓后的形貌变化。同时，分析轴向拉力、超弹性管的几何尺寸等因素对超弹性管失稳起鼓的内部压力的影响。
　　基于连续介质力学有限变形理论，建立轴向拉伸超弹性管充气时的控制方程。选用适当的应变能函数描述实验用超弹性材料，并对材料参数进行拟合，确定实验用超弹性材料的本构模型。
　　利用打靶法求解控制方程，并计算轴向拉伸超弹性管在充气时的内部压力与体积。对计算结果进行分析，探究轴向拉力和初始几何尺寸对超弹性管充气过程中内压变化的影响，并与实验结果进行比较分析。同时，研究超弹性管充气过程中的形貌变化，得到了超弹性管不同位置的形貌变化规律。探究缺陷对超弹性管充气时失稳起鼓的影响，在超弹性管中部加入轴对称的环状缺陷进行研究。研究表明，缺陷的存在一定程度上降低了超弹性失稳起鼓的临界压力，同时，也降低了超弹性管膨胀到一定体积所需的内压。
　　对轴向拉伸作用下超弹性管充气时的失稳现象进行的分析研究，可以为本构和几何形状更为复杂的变形局部化问题提供参考，对类似的生物管状结构的稳定性问题，如动脉瘤的产生和生长机理等研究具有重要的指导意义。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3本文研究的主要内容

第二章 超弹性管充气加载实验研究

2.1超弹性管充气加载实验

2.2轴向拉伸作用下超弹性管充气实验研究

2.3本章小结

第三章 轴向拉伸作用下超弹性管充气失稳理论模型

3.1连续介质力学相关理论的介绍

3.2超弹性管充气时控制方程的建立

3.3超弹性管的应变能函数

3.4材料参数确定

3.5本章小结

第四章 超弹性管在内压外拉联合作用下稳定性的理论研究

4.1打靶法求解控制方程

4.2轴向拉伸作用下超弹性管充气时的内压研究

4.3轴向拉伸作用下超弹性管形貌变化研究

4.4缺陷对超弹性管充气时稳定性的影响

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢