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基于粘弹性理论高分子材料形状记忆过程的有限元数值模拟

杨青  
【摘要】: 形状记忆高分子(SMPs)是一种具有形状记忆功能的智能材料。近十年来各国学者针对该材料的本构关系进行了深入的研究,已经提出了一些本构理论用来描述材料的形状记忆机理。由于SMP的形状记忆机理较为复杂,本构模型构造时牵涉理论很多,且非线性的本构方程难于求解,所以目前仍然没有形成一套成熟的本构模型与有效的求解方法用来模拟SMP的形状记忆过程。 本文采用粘弹性高分子理论结合有限元数值模拟的方法,运用通用非线性有限元软件MSC.Marc对SMP形状记忆过程进行了计算模拟,得到了较为合理的应力应变、应力温度与应变温度等本构关系,分析了温度对材料模量的影响,热膨胀系数与升温速度对SMP形状记忆效果的影响。通过与日本学者Tobushi和美国学者Yiping Liu的实验与计算结果比较,发现本文所采用的基于粘弹性理论的有限元数值模拟方法可以正确描述SMP的形状记忆过程,也可以准确分析各主要参数变化对形状记忆过程所带来的影响,尤其在分析热膨胀系数与弹性模量对应变与应力变化的影响时其准确程度已经超过了日本学者Tobushi本构模型的计算结果,与实验结果完全一致,也与美国学者Yiping Liu本构模型的计算结果完全一致。 通过本文的研究说明基于粘弹性理论的有限元计算方法可以用于形状记忆高分子材料的本构研究与数值模拟,经过对MSC.Marc粘弹性模块的二次开发后可以形成专门的形状记忆高分子模块服务于SMP的功能开发与工程应用。


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