【摘 要】
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形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,简称SMP)作为一种新型的智能材料,由于质量轻、成本低以及易于加工等优势,已经在航空、医学等领域得到广泛应用。以往对热致型形状记忆聚合物的研究大都集中在整体变温的情况下,很少考虑不同边界条件下温度梯度带来的影响。然而已有研究表明温度梯度无论对材料力学性能还是工程结构力学行为上具有不可忽略的影响。基于此,本文开展温度梯度对热致型形状聚合物力学
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形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,简称SMP)作为一种新型的智能材料,由于质量轻、成本低以及易于加工等优势,已经在航空、医学等领域得到广泛应用。以往对热致型形状记忆聚合物的研究大都集中在整体变温的情况下,很少考虑不同边界条件下温度梯度带来的影响。然而已有研究表明温度梯度无论对材料力学性能还是工程结构力学行为上具有不可忽略的影响。基于此,本文开展温度梯度对热致型形状聚合物力学行为影响研究。首先,在均匀应力的假设下,结合传热学和相变理论本构模型,提出了考虑温度梯度的本构关系。以环氧SMP材料为例,建立不同边界温度下大平板模型,通过对比不同预应变下的理论结果和实验数据验证新型本构模型。其次,基于直角坐标系和柱坐标系下的导热,分别选定SMP平板和SMP圆筒结构为分析对象。分别讨论温度梯度连续非周期性、周期性变化以及定常对其力学行为影响。(1)温度梯度连续非周期性变化发生在瞬态导热阶段,用有限差分法求解温度梯度场的分布情况。本文提出通过对特定位置处进行监测来预测整体力学表现,在一维瞬态导热中,选定位置为厚度处的1/4、1/2和3/4并对各位置进行了力学分析。二维导热中,采用控制变量法对不同方向各位置力学行为进行监测。(2)通过设定周期性边界条件实现温度梯度周期性变化,分别对在一维周期边界条件下和二维周期边界条件下力学行为进行分析。(3)温度梯度定常即稳态导热,温度分布与位置有关,总结了不同六种边界温度条件下力学行为的表达式,并进行了数值模拟分析了不同边界温度下存储应变,弹性模量,应力随厚度位置的变化。同时提供了不同温度梯度下多层SMP板和SMP圆筒力学行为分析的思路。最后用ABAQUS对SMP记忆特性进行了仿真模拟,对热力循环四个阶段力学表现进行了分析。同时对SMP圆筒和SMP平板进行了一维瞬态热分析,模拟了各选定位置力学行为,并于第三章和第四章理论数值模拟结果进行对比,有较好的吻合性。本文可以为SMP力学行为监测和实现功能梯度提供思路,同时也为进一步工程应用提供理论依据。
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