单向纤维增强形状记忆聚合物复合材料弯曲性能研究

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形状记忆聚合物(SMP)作为新型智能材料具有低密度、大变形及转变温度可调等优点。采用连续纤维作为增强体的SMP复合材料(EMC)在保有SMP优点的同时提高了材料的强度、刚度以及恢复速度,因而在空间可展开结构中具有广阔应用前景。在高温激活状态下,形状记忆聚合物基体处于软化状态,不能对纤维形成良好的支撑,在承受弯曲载荷作用时纤维极易发生微屈曲,使层合板达到较大应变而不发生破坏。根据纤维屈曲方向的不同可以分为面内屈曲和面外屈曲两种模式,根据最小能量原理,通过对比发现面内屈曲模式总变形能始终低于面外屈曲,从而确定理论上EMC层合板弯曲时更趋向于发生面内屈曲模式。将EMC层合板等效为均质的横观各向同性材料,纤维面内屈曲时会引起压缩区域刚度发生非线性变化。采用能量方法推导出以临界屈曲为分界点的材料线性-非线性本构模型。根据应力平衡得出中性层位置的变化规律,并进一步计算出横截面弯矩与弯曲应变的关系。结果表明,与现有模型相比,本文的模型与实验结果吻合度更高。在线性-非线性本构模型的基础上,采用用户子程序(UMAT)建立EMC层合板四点弯曲有限元模型,研究弯矩与弯曲应变关系。有限元计算结果与实验吻合度较好,且在小应变段效果优于理论模型。本文的研究成果为预测EMC层合板弯曲性能提供了理论依据,有利于促进其在工程中得到广泛应用。
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