形状记忆聚合物复合材料梁的弯曲变形

基于形状记忆聚合物（SMP）材料研制了热激励主动变形的纤维增强形状记忆聚合物复合材料（SMPC）,对其动态力学性能进行了测试分析,应用有限元模拟分析法和层合板理论,得到SMP和SMPC悬臂梁的弯曲变形与刚度变化曲线。分析表明：SMPC材料抵抗变形的能力高于SMP材料。在等温度条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与载荷呈线性关系;在等载荷条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与温度呈非线性关系。SMPC的刚度特性使其在高温下应用领域得到拓展。     

热驱动形状记忆聚合物三维力学本构模型

假设形状记忆聚合物（ＳＭＰ）为各向同性材料,其体积变形是弹性的,形状变化的流变规律满 足Ｔｏｂｕｓｈｉ建立的一维本构模型的基础上,应用固体力学和热粘弹性理论建立了ＳＭＰ三维本构 模型,使其不仅能描述简单应力状态下的热力学行为,也能描述复杂应力状态下的热力学行为．然 后基于ＡＢＡＱＵＳ的二次开发平台编写了可供ＡＢＡＱＵＳ调用的ＵＭＡＴ子程序,对ＳＭＰ试样实现 形状记忆效应的热力学过程数值模拟,数值模拟结果与Ｔｏｂｕｓｈｉ等的实验结果吻合良好,表明建立的 ＳＭＰ三维本构模型能够有效的描述ＳＭＰ的热力学行为,可为ＳＭＰ的工程应用提供理论参考． 关键词：形状记忆聚合物;热驱动;三维本构模型;形状记忆效应     

考虑黏弹性的簧片单元力学性能分析

为提高空间可展簧片铰链的运行稳定性和可靠性,研究了材料黏弹性对其弯曲折叠过程中的应变能、临界弯矩和稳态弯矩的影响.利用广义Maxwell黏弹性模型建立了考虑黏弹性的簧片单元力学模型,采用数值模拟方法探究了外界温度、折叠速率、Prony常数、松弛时间对簧片单元应变能、临界弯矩和稳态弯矩的影响规律.结果表明:在折叠过程中,随着Prony常数,松弛时间和折叠速度的减小,簧片单元应变能、临界弯矩和稳态弯矩均有所减小.随着温度的增加,簧片单元应变能、临界弯矩和稳态弯矩均呈现不同程度的减小.在装载过程中,簧片单元的稳态弯矩和应变能随着装载时间的增加而减小并趋于稳定.本研究对于提高空间可展结构的设计可靠性提供了一定的依据.     

单簧片折叠过程中的力学性能及参数影响分析

采用有限元分析软件ABAQUS对单簧片的折叠过程进行了数值模拟分析,研究了单簧片正反向折叠过程中临界弯矩、稳态弯矩、最大应变能的变化规律,并利用临界弯矩、稳态弯矩、最大应变能等参数作为簧片驱动能力和抗干扰能力的参数指标,研究了截面圆心角和长度对单簧片驱动能力和抗干扰能力的影响.结果表明:随着截面圆心角的增加,簧片驱动能力和抗干扰能力都呈现增强趋势,随簧片长度的增加,其驱动能力和抗干扰能力会有所下降.该研究对于提高空间展开结构的运动精度以及可靠性具有一定的参考价值.     

层合复合材料簧片单元弯曲力学性能

为提高空间可展铰链的运行稳定性和可靠性,减轻结构质量,研究了碳纤维增强层合复合材料簧片单元的弯曲性能.以衡量簧片驱动能力的应变能、稳态弯矩以及簧片自锁能力的屈曲临界弯矩为力学性能指标.分析了可折叠自展开的簧片单元在弯曲折叠过程中,复合材料铺层角度、铺层厚度和簧片截面半径对各性能指标的影响.研究结果表明:随着复合材料铺层角度的增加,簧片驱动能力增强,但其自锁能力基本不变;随着复合材料铺层厚度和截面半径的增加,簧片的驱动能力和自锁能力均增强;随着材料铺层角度、截面半径的增加,簧片的横截面出现截面变形现象且伴随微小回弹.研究结果对于空间簧片式铰链驱动性能的改进具有一定的参考价值.     

封面图片说明

正形状记忆聚合物SMP(shape memory polymer)是指具有某一特定的初始形状,在一定条件下变形固定后,通过热、电、磁等外部条件的刺激,能够恢复至其初始形状的聚合物,其密度低、可大尺寸成形、形变大.它具有形状记忆特性、自锁紧特性和大刚度变化特性,在航天航空、生物医学等领域的应用备受关注.基于形状记忆聚合物复合材料的铰链和桁架等空间展开结构和锁紧释放机构,通过材料和结构自身的变形实现结构的展开、驱动和释放,无需机械、电机和火工品等驱动装置,具有冲击小、重量轻、结构     

环氧形状记忆聚合物的热力学性能试验研究

针对目前关于形状记忆聚合物热力学性能研究不足,本文对一种新研制的环氧形状记忆聚合物开展了三类热力学试验。首先进行了SMP拉伸、弯曲、扭转形变下的形状记忆自由回复试验,测定了形状记忆固定率与回复率,均可达到99. 4%以上;采用热分析仪测定了材料-50℃～100℃的热膨胀应变随温度的关系,其值呈近似双线性,在玻璃转换点前后分别为4. 8×10~(-5)℃和2. 76×10~(-4)℃;最后进行了不同温度时的拉伸应力松弛试验及其不同加载速率拉伸试验,结果表明:在玻璃化转变温度附近,材料弹性模量与应力松弛现象发生明显的改变,形状记忆聚合物具有较强的时温相关非线性粘弹塑性力学行为特征。     

PCL相对分子质量对形状记忆聚氨酯性能影响的研究

介绍了采用半预聚体法,以不同分子量的PCL(聚己内酯二元醇)、液化MDI(4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯)、BDO(1,4-丁二醇)为原料,制成形状记忆聚氨酯(SMPU).讨论了不同相对分子质量PCL对聚氨酯力学性能、热性能、形状记忆性能等的影响.研究表明:随着PCL相对分子质量的增加,邵氏A硬度、抗拉强度、断裂伸长率、热变形温度和维卡软化点等均增大;形状固定率和形状回复率随着软段相对分子质量的增加几乎都大于95%.     

带状簧片弯曲折叠力学性能敏感性分析

针对空间可展的金属带状簧片弯曲折叠时的弯矩和应变能响应,引进主次因素度分析、Sobol敏感性理论,对簧片的力学性能受自身几何参数影响进行了敏感性分析,并采用Isight软件的数值方法进行了结果验证.综合比较了几何参数对力学性能指标的影响程度,总结了主次因素度分析、Sobol敏感性理论和数值计算3种方法的优缺点.研究结果为指导实际簧片结构设计和参数优化设计提供了一定的参考和依据.     

双程形状记忆效应的唯象动力学模型

构造可以用于描述一维结构的形状记忆合金（SMA）的双程形状记忆效应的唯象动力学模型. 该模型基于与形状记忆合金中热弹性相变有关的唯象理论,将应力场和热场下的滞回环曲线视为马氏体相变和马氏体变体重构在宏观层面上的表现. 为了模拟温度诱发的相变,构造非凸自由能函数,使得函数的每个局部平衡对应于相变过程中的一个相. 在外部负载（力或者热）的作用下,可以通过模拟系统状态（应变）在不同平衡态之间的转变,研究温度诱发的相变. 相变动力学的控制方程采用拉格朗日方程,以非线性微分方程来表示. 利用非线性常微分方程描述单程形状记忆效应,通过对不同相变过程的加权组合描述双程形状记忆效应. 开展有关力和热负载下的数值实验,模拟热和应力诱发的相变以及热负载下与单程形状记忆效应和双程形状记忆效应有关的滞回环,模拟马氏体重构所导致的单滞回环以及超弹性效应所引起的双滞回环. 从实验结果可以看出,双程形状记忆效应及超弹性效应均可以被提出的模型成功捕捉,验证了该模型的描述能力.     

形状记忆合金复合材料层合梁的弯曲

分析了一种形状记忆合金复合材料层合梁在荷载作用和温度改变下梁的曲率k与截面弯矩M及温度T的关系 ,并进一步得到在恒定温度下悬臂梁自由端挠度随外载荷变化的曲线 结果显示该层合悬臂梁具有和形状记忆合金材料相同的超弹性特性     

T形钢梁加强负弯矩区组合框架梁的试验研究

针对框架梁在梁端存在较大负弯矩及混凝土不能承受较大拉应力的状况,提出了在框架梁的负弯矩区段采用T形钢梁加强的组合框架梁模型。通过两个组合框架梁单层框架足尺模型的试验研究,得到新型组合框架梁的荷载-挠度曲线,截面应变分布曲线。从组合框架梁与一般组合梁的试验结果对比可看出,T形加强截面能有效提高梁的刚度,使框架梁刚度分布趋于合理。最后,提出并验证了按T形肋截断位置分成三段刚度不同的梁分析组合框架梁的方法。     

Cu-Zn-Al合金两相区淬火对形状记忆效应的影响

在α+β两相区不同温度淬火对CU—25.44Zn—3.94Al形状记忆合金的相组成、相变温变及形状记忆效应的影响。研究结果表明,Cu—Zn—Al合金在α+β两相区合适的温变加热淬火,晶粒细小,其形状记忆效应优于在β单相区加热淬火者且相变温度较易调整,单向和双向记忆效应最佳的淬火温变分别为720℃和700℃,讨论了α+β两相区淬火对双向记忆效应影响的机制。     

形状记忆合金混杂复合材料弯曲变形的研究

为精确地预报形状记忆合金混杂复合材料的弯曲变形量及在不改变构件刚度的条件下增大其弯曲变形量,对该材料悬臂梁的弯曲变形进行了研究．采用板状形状记忆合金增大形状记忆合金的体积分数;通过测试形状记忆合金关键温度点上的回复应力与弹性模量,确定形状记忆合金本构方程中的有关变量,解本构方程获得各个温度下的回复应力与弹性模量．采用有限元方法进行计算,获得了悬臂梁弯曲变形的温度响应曲线．测试实验验证了计算的正确性．     

形状记忆合金薄膜单轴拉伸行为的数值模拟

基于文献中报道的实验研究结果,利用Liang-Rogers模型对NiTi记忆合金薄膜等温单轴拉伸时的应力-应变曲线进行了模拟,并讨论了薄膜材料组分含量及温度对其拉伸性能的影响。通过模拟结果与实验测试结果的比较发现,除模拟得到的相变区间稍宽外,模拟曲线与实验测试曲线基本一致,表明Liang-Rogers模型可用于粗略地预测记忆合金薄膜的单轴拉伸行为。     

A theoretical investigation into the orientation of buckling direction of the reinforcing fibers in EMC laminate

Due to its high packaging strain and shape memory effect, elastic memory composite （EMC） has considerable potential application in future deployable space structures. Buckling of the reinforcing fibers is the primary deformation mechanism of such a new class of functional materials to realize a higher folding strain than that of conventional fiber reinforced composites. In this paper, the orientation of buckling direction of the reinforcing fibers in EMC laminate will be theoretically analyzed to better understand such deformation mechanism. The results reveal that the bucking protruding from the edge produces the lower energy needed for EMC laminate.     

形状记忆合金受弯杆的力学性能分析

以Brinson本构模型为理论依据,推导出任意截面形状的SMA杆在弯矩作用下横截面上的应力分布及马氏体百分数随截面高度变化的理论计算公式;对循环弯矩作用下杆件的耗能能力进行了分析,建立了完整的计算理论;并就等直矩形截面杆利用Matlab编制的程序进行了数值计算,得出了截面边缘最大应力和应变与外荷载弯矩的关系曲线、应力及马氏体百分数在截面高度上的分布曲线、耗能量与截面高度的关系曲线、耗能量与边缘最大应变的关系曲线,而且对这些曲线进行了讨论,认为SMA材料可以在结构振动被动控制中耗散由于弯矩荷载而引起的能量.     

玄武岩纤维筋与预应力钢筋复合配筋管桩抗弯性能研究

研制一种新型材料的管桩,将玄武岩纤维筋与预应力钢筋复合配筋做成复合配筋管桩,将这种新型管桩与普通管桩的抗弯性能进行对比试验。试验结果表明:BFRP筋能够较大幅度提高普通管桩的承载性能,新型管桩的开裂弯矩和极限弯矩均有明显的改善。     

钢-混凝土连续组合梁腹板局部屈曲分析

对连续组合梁负弯矩区钢腹板的稳定性进行了研究,分析了负弯矩区钢梁腹板在弯曲、轴向压力和剪切作用下的力学性能,提出了组合梁腹板在各种荷载作用下的局部稳定性简化计算模型,建立了非均匀受压、纯剪和弯剪复合受力状态下的临界屈曲应力计算公式;分别计算了钢梁腹板在非均匀受压和纯剪状态下的弹性屈曲系数,并根据偏心受压与剪切作用下的相关方程计算了钢梁腹板在复杂应力状态下的弹性屈曲系数;基于屈曲分析结果,提出了组合梁在弹性受力阶段钢梁腹板不设横向加劲肋的高厚比限值。结果表明：采用该方法确定的钢梁腹板高厚比更具合理性,且计算过程简单,结果偏于安全。     

内置钢箱-混凝土连续组合梁受力性能试验

为研究超静定内置钢箱-混凝土组合梁的塑性设计方法,进行了4根两跨内置钢箱-混凝土连续组合梁试验,获得了试验梁裂缝分布与开展、变形发展、破坏特征及塑性内力重分布等方面的试验结果.通过分析,给出了内置钢箱-混凝土连续组合梁等效塑性铰区长度计算公式,提出了以支座控制截面弯矩弹性计算值与组合梁正截面破坏时钢箱所承担弯矩之差为调幅对象、以相对塑性转角为自变量的弯矩调幅设计方法.