形状记忆合金/橡胶复合结构的超弹性响应与驱动研究

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形状记忆合金(SMA:Shape Memory Alloy)增强橡胶作为一种新型智能材料,利用其独特的热力学性质,可以实现许多传统复合材料无法实现的特殊功能,具有广阔的应用前景。在形状记忆合金/橡胶复合材料的设计制作中,要充分发挥两种组分的超弹性、大变形和可回复性能,就要求对温度作用下这类构件的响应和驱动机制建立起足够的认识。鉴于此,本文采用实验研究和数值模拟两方面结合的方法,对温度作用下形状记忆合金/橡胶复合结构的驱动-回复性能进行了研究。主要完成的工作内容如下:(1)对NiTi形状记忆合金丝和硅橡胶板开展了基本力学试验,分析、总结了这两种组分在不同温度下的响应变化规律;根据力学测试结果,选取合适的SMA热力学模型和橡胶超弹性本构模型对材料性能进行描述,并确定了相应参数,做为后续驱动实验和模拟研究的基础。(2)对温度作用下SMA/橡胶复合材料结构的驱动-回复性能展开实验研究与分析。进行了不同温度条件下SMA/橡胶复合材料板的弯曲-回复实验与相同温度条件下不同合金丝体积分数的弯曲-回复实验,探讨温度、NiTi丝直径、合金体积分数对复合材料板驱动-回复等力学性能的影响。结果表明:SMA丝的数量、直径以及体积分数占比都对体系的驱动-回复能力有着正相关的影响,三者中任一因素强化,都会导致其随温度升高增强的效应更加显著。立足于实验结果,利用现有设备装置,制作了驱动方式简单易行、响应时间短的SMA/橡胶复合材料翼板,测试结果展现了该构件的折叠-展开特性,拓宽了其在相关领域实际应用中的研究思路。(3)借助有限元软件ABAQUS,建立不同结构形式的SMA/橡胶复合体系数值模型并进行仿真分析。通过合金丝的预应变处理,模拟了温度作用下的偏转-回复过程。在此基础上提出了改变结构设计的SMA/橡胶复合曲梁,模拟其定向爬行过程,总结相应规律,揭示了不同状态下该体系的受力、变形以及能量转化机制。结果表明:将只具备单程记忆效应的SMA丝填入橡胶基体,借助橡胶超弹性变形中储存和释放能量的特点,能够充分发挥两种组分性能,使得复合结构表现出双程驱动性能。这些工作为寻求高效的柔性结构控制模式指明了方向,对基于形状记忆合金的超弹性复合器件开发也具有借鉴意义。
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