形状记忆聚合物基三维编织复合材料的热力学性能研究

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作为一种新兴的智能材料,热致形状记忆聚合物能够在外界温度变化时记忆初始(或临时)形状。但是,非增强形状记忆聚合物刚度低、强度低、恢复力小、蠕变和应力松弛现象严重,在实际应用中极受限制。利用三维编织纤维增强形状记忆聚合物,不仅可以克服这些弱点,而且能结合三维编织复合材料不分层、设计性好等优点,获得更好的复合材料力学性能。现有的形状记忆聚合物的本构模型都是在简单载荷条件下提出的,不能直接用于复杂应力状态或者复杂形状的形状记忆聚合物及其复合材料。因此本文推导了合理的形状记忆聚合物三维热力学本构方程,并运用有限元方法研究了形状记忆聚合物及其三维编织复合材料热力学性能。本文主要工作包括:(1).将三维编织复合材料划分为三细胞结构,利用ANSYS的APDL语言进行三维编织复合材料周期性内胞的参数化建模,并在内胞细观力学模型中引入适用于有限元分析的周期性边界条件;(2).利用两种热粘弹性本构模型(ABAQUS材料子程序UMAT和Prony级数数值拟合)对形状记忆聚合物记忆过程进行了数值模拟,并详细讨论了外载荷因素(应变加载量、应变加载速率以及冷却、加热速率等)对形状记忆聚合物热力学性能及其记忆行为的影响;(3).给出了适用于形状记忆聚合物基三维编织复合材料的变温粘弹性本构关系,并运用有限元方法模拟了复合材料的记忆过程,分析了工艺参数(编织角和纤维体积含量)和外载荷因素对其应力应变关系以及形变恢复率、形状固定率等的影响。
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