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文档简介

形状记忆聚合物本构建模及其在智能结构分析中的应用形状记忆聚合物(SMP)作为一种新兴的具有形状记忆效应的高分子材料,在外力作用下能够改变自身形状并保持变形后的状态,当受到特定的刺激时,能可逆地恢复至起始形状。SMP有变形量大,恢复率高,赋形容易,形状响应温度易调节和激励方式多样(热、湿、光、电、磁)等特点,因而成为目前热门的功能材料之一。随着研究的深入,SMP在各类复杂感知器件、生物医疗、航空航天及其他智能装置领域得到广阔的应用。SMP本构理论是反映材料力学性质的数学模型,其在记忆行为演变规律及预测、性能表征与评价和材料结构设计等方面具有重要作用。本文主要对SMP材料的本构理论、有限元计算方法和智能结构(空间展开簧片,智能可逆隔膜和血管支架)展开研究,具体内容如下:(1)建立了一种SMP的三维热力学黏弹性本构模型,并进行了有限元实现。将SMP的一维本构模型的总应变假设为机械应变、可逆应变和热应变的叠加,并给出各项应变的定义和方程表达式。随后,将SMP的一维本构方程扩展为三维形式,编写了可供有ABAQUS调用的有限元程序(UMAT)。利用有限元程序,对SMP的拉伸试件进行数值模拟,数值结果与实验数据吻合很好,验证了本构方程和有限元程序的正确性。(2)基于聚氨酯类SMP的有限元程序,研究了空间可展开的SMP簧片的折叠变形和形状记忆效应,并对SMP簧片进行了优化设计。对SMP簧片结构的正/反向折叠和自动展开过程进行了模拟,分析了结构参数和温度对折叠行为的影响,并研究了金属/SMP复合簧片正向和反向折叠过程。以结构参数和温度为设计变量,展开驱动性能为目标,结构失稳弯矩为约束条件,通过全因子设计方法建立了SMP簧片结构的优化模型并进行求解,得到了驱动性能最佳的SMP簧片结构。(3)研究了一种智能可逆的SMP隔膜装置。利用SMP大变形和形状记忆的特性,设计了一种翻转可逆的SMP隔膜装置。对SMP隔膜的翻转过程和恢复效应进行了有限元模拟,获得了隔膜在翻转变形过程中的压力和应变能的变化,并分析了结构参数和温度对翻转行为的影响。建立了设计变量为结构几何参数和温度,约束条件为临界压力,目标函数为最小翻转压力的优化模型,获得了优化的SMP隔膜。这些研究将为新型SMP隔膜的设计和应用提供理论指导。(4)发展了SMP有限变形的三维热力学本构方程,开发了有限元程序。在前人本构模型基础上,利用新的相体积分数演化率计算公式,合理地描述了玻璃相和橡胶相的转化过程,从而改进了本构模型,得到了适用于开发有限元程序的SMP有限变形的唯象本构方程。基于改进后的本构方程,开发了ABAQUS的UMAT子程序,模拟了SMP在拉伸和弯曲时的变形和形状记忆行为,验证了本构方程和有限元程序的正确性。该本构方程需要的材料参数少,有限元程序便于工程应用。(5)利用有限变形的SMP有限元程序,对SMP网状和螺旋管状血管支架进行了建模和模拟。对这两种血管支架的收缩和自膨胀过程进行了模

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