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形状记忆聚合物复合材料折叠变形机理的研究

作　者: 熊志远
导　师: 王正道
学　校: 北京交通大学
专　业: 工程力学
关键词: 形状记忆聚合物复合材料折叠微屈曲模式能量原理空间展开结构破坏模式临界曲率
分类号: TB381
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

形状记忆聚合物复合材料(英文名为Elastic Memory Composite,简称EMC)是由连续纤维增强体和具有形状记忆功能的聚合物基体复合而成。它既具有传统纤维增强聚合物基复合材料的高结构性能,又拥有形状记忆效应和高折叠变形率,因此在未来空间展开结构中具有极大的应用潜力。实验证明,在EMC基体玻璃化转变温度(Tg)之上,聚合物基体处于柔软的高弹态,这时可通过受压区纤维微屈曲实现结构较大折叠变形率。因此,局部微屈曲是该类功能材料的主要变形机理。本文首先对单向EMC层合板折叠过程微屈曲模式进行了分析。单向EMC层合板在Tg温度以上缓慢地进行折叠变形时,压缩区的纤维有可能发生面内或面外微屈曲。对EMC层合板任意弯曲状态下选取一有效微屈曲单元,分别计算纤维发生面内与面外微屈曲的单元体所储存的应变能。通过比较两应变能发现,其差异仅由基体剪切模量与基体拉压模量决定,面内、外微屈曲分别对应基体的剪切模量与拉压模量。由于材料的剪切模量小于拉压模量,依据能量最低原理,单向EMC层合板在Tg温度以上折叠变形时临界屈曲最有可能发生面内微屈曲模式。其次,由于受压区纤维微屈曲导致层合板中性层位置偏离几何中心,将中性层位置及微屈曲半波长表达式代入弯曲层合板的总变形能表达式,即可获得弯曲层合板实际储存的总变形能。依据虚功原理,通过总变形能表达式可推导出弯矩与曲率之间的非线性关系式,其中微屈曲之前的小曲率变形阶段可用传统线弹性单向板弯曲理论分析。并将所得线性与非线性弯曲行为理论结果与单向EMC层合板在热激活温度下的四点纯弯曲实验结果进行了比较。再次,以曲率和板厚为变量,定量研究了单向EMC层合板在热激活温度下进行弯曲时的线性与非线性弯曲公式的几何适用条件。文中提出了一个新的求解纤维临界微屈曲的二维(2D)简化模型,并结合Timoshenko梁屈曲理论,求出了热激活温度下EMC层合板中纤维的临界微屈曲应变。由层合板压缩底边的名义应变刚好等于纤维的临界微屈曲应变,进一步求出了临界微屈曲曲率数学表达式。单向EMC层合板从弯曲的开始到临界曲率之间适合线弹性板的弯曲理论,而从临界曲率直到材料破坏的绝大部分弯曲过程适合本论文提出的非线性弯曲理论。最后,研究了单向EMC层合板在热激活温度下弯曲时的可能破坏模式。当EMC层合板(或圆柱梁)在无约束条件下弯曲时,在较小的弯曲程度下便出现折曲(kinking)破坏现象。当用适当的拉伸力使EMC层合板围绕圆柱体弯曲时,结果产生无折曲现象的一致微屈曲,在此基础上,分别对拉、压表面的纤维及软基体的破坏极限进行了理论分析。结果表明：当名义弯曲应变超过5%时,增强纤维仍处于弹性和无损伤状态,只可能基体因剪应变过大而导致压缩表面的纤维／基体界面破坏,相关结果与已有的实验报道基本相符。同时研究结果还表明：适当地增加基体含量能够有效降低软基体的最大剪应变,从而能使EMC板实现更大的折叠变形。另外,对弯曲条件下二维编织EMC板的微观变形机理进行了初步分析。本文所得结果为准确预测EMC层合板的折叠变形行为提供了理论依据,对促进其在空间展开结构中的应用具有一定的意义。相关理论结果不仅适用于EMC材料,而且对分析其他纤维增强柔性基体复合材料的弯曲行为也有一定的借鉴意义。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第1章绪论  12-34
  1.1 引言  12-13
  1.2 EMC变形机理及主要优点  13-15
  1.3 EMC展开结构模型设计  15-23
    1.3.1 EMC铰链/驱动器  15-20
    1.3.2 EMC太阳能电池帆板  20-22
    1.3.3 EMC伸缩管  22-23
  1.4 EMC微屈曲变形机理  23-29
    1.4.1 EMC层合板微屈曲变形典型实验结果  24-25
    1.4.2 EMC层合板微屈曲变形理论模型  25-29
  1.5 EMC非线性弯曲行为  29-32
  1.6 本文研究的目的及主要内容  32-34
    1.6.1 本文研究的目的  32
    1.6.2 本文研究的主要内容  32-34
第2章微屈曲模式分析  34-52
  2.1 引言  34
  2.2 面内微屈曲  34-44
    2.2.1 变形特征  35-37
    2.2.2 单元体应变能  37-44
  2.3 面外微屈曲  44-48
    2.3.1 变形特征  44-45
    2.3.2 单元体应变能  45-48
  2.4 微屈曲模式理论分析  48-50
  2.5 本章小结  50-52
第3章弯矩-曲率关系  52-82
  3.1 引言  52
  3.2 中性层位置  52-56
  3.3 半波长  56-64
    3.3.1 理论分析  56-61
    3.3.2 理论与实验结果的比较  61-64
  3.4 弯矩-曲率关系  64-75
    3.4.1 非线性关系  64-68
    3.4.2 线性关系  68-70
    3.4.3 理论分析  70-73
    3.4.4 理论与实验结果的比较  73-75
  3.5 本章小结  75-77
  本章附录  77-82
第4章临界微屈曲  82-96
  4.1 引言  82-83
  4.2 临界应变  83-88
    4.2.1 2D简化模型  83-84
    4.2.2 单元体  84-85
    4.2.3 临界应变  85-88
  4.3 临界曲率  88-90
  4.4 本章小结  90-92
  本章附录  92-96
第5章破坏模式  96-114
  5.1 引言  96
  5.2 纯弯曲条件下的失效模式  96-98
  5.3 约束条件下的弯曲失效模式  98-109
    5.3.1 纤维断裂  98-107
    5.3.2 基体破坏  107-109
  5.4 二维编织EMC板的微观变形分析  109-111
  5.5 本章小结  111-114
第6章结论与展望  114-116
  6.1 结论  114-115
  6.2 进一步工作的展望  115-116
参考文献  116-122
作者简历  122-126
学位论文数据集  126

形状记忆聚合物复合材料折叠变形机理的研究

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