Prony级数形式的形状记忆聚合物有限应变黏弹性本构模型

为考察形状记忆聚合物（SMPs）的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂（ESMP）进行拉伸-松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸-松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

盘绕式伸展臂非线性振动力学分析

盘绕式伸展臂非线性振动特性决定加劲索的预应力取值及航天器的振动控制,采用几何精确理论与屈曲分析理论推导出静力条件下加劲索预应力取值范围,在此范围对盘绕臂的非线性振动进行计算。针对小幅非线性振动,考虑加劲索预应力的加载作用引发P-Δ效应的影响,采用特征值迭代法求解不同预应力下模态及频率,得到使盘绕臂自振频率最大的预应力值,总结出设计用的加劲索"频率-预应力-直径"参考面。针对大幅非线性振动,采用动力时程信号处理法,基于显式动力学积分获取盘绕臂大幅振动时程信号,结合快速傅氏变换(FFT)和随机子空间(SSI/data)两种方法,基于MATLAB平台编制时程信号处理程序,用于提取大幅振动的频率及模态。在动力时程信号中发现加劲索在大幅振动中的高频交替张弛使盘绕臂能量分布迅速达到动态平衡,从而使盘绕臂振幅迅速衰减。最后制作盘绕臂模型进行模态试验,测试的结果与计算结果基本吻合。     

樊鹏玄

为考察形状记忆聚合物(SMPs)的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂(ESMP)进行拉伸 松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸 松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

织物增强形状记忆复合材料大型空间可展桁架研究进展

围绕新型织物增强形状记忆复合材料空间可展桁架,总结了材料研制、结构制备、形状记忆行为、多尺度力学模型和地面试验的相关研究进展。可展桁架纵杆为织物增强复合材料制成的薄壁管,复合材料是将二维碳纤维织物添加到环氧形状记忆树脂中制备而成,通过调整基体树脂和固化剂的配比可控制材料的形状记忆性能。基于相变理论构建了形状记忆本构模型,并应用三点弯曲试验验证。通过微观、细观、宏观多尺度方法,计算了复合材料的均匀ABD刚度矩阵,依据Kirchhoff假设推导了薄壁管等效空间梁单元。搭建地面技术演示平台,验证形状记忆可展桁架单元收纳比达到50:1,形状恢复率约为100%。     

盘绕式伸展臂收纳过程理论分析与数值模拟

盘绕式伸展臂在收纳过程中的力学行为决定其展开性能,收纳过程是否顺利是工程设计的关键问题,这取决于纵杆和三角框的刚度关系。盘绕臂收纳过程中纵杆和三角框均体现出大转动、大变形的特性,三角框还体现大挠度后屈曲特性。该文采用势能驻值原理及几何精确理论建立三角框的后屈曲列式,计算出三角框的后屈曲刚度,基于势能驻值原理推导出盘绕臂收纳过程中通长纵杆的平衡方程以及保证稳定平衡的最小三角框屈曲后刚度,并得出盘绕臂设计使用的参考公式;为验证参考公式的正确性以及对收纳全程进行精确计算,采用自适应弧长迭代,基于增量有限元法模拟了盘绕臂收纳全过程,得到收纳过程中结构应力-应变及能量变化;通过对解析解和数值解在平衡方程、自由端高度、最小三角框刚度、能量守恒等关键参数的计算结果进行对比来相互论证计算的正确性。该文推导的解析公式与增量有限元法的精确模拟可相互补充,共同服务于盘绕臂设计中的参数选定和收展控制。