形状记忆聚合物复合材料折叠变形机理的研究博士论

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1、，A≯'}，劣妻未交博士学位论文形状记忆聚合物复合材料折叠变形机理的研究AStudyonPackagingDeformationMechanismofElasticMemoryComposites作者：熊志远导师：王正道教授北京交通大学2010年11月f悖户．1“，0I?孽，学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复

2、印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：钮、志这土导师签名：易签字日期：a垆年／『月／∥日签字日期：矽／口年／／，月伊，7中图分类号：0341；TB38lUDC：530北京交通博士学位论文形状记忆聚合物复合材料折叠变形机理的研究AStudyonPackagingDef．omlationMechanismofElasticMemo巧Composites作者姓名：熊志远导师姓名：王正道学位类别：工学学号：07115255职称：教授学位级别：博士学科专业：工程力学研究方向：复合材料微屈曲理论北京交通大学

3、20lO年11月，P，‘，f’1IP致谢本文工作是在导师王正道教授的悉心指导下完成的，从基本公式的推导、结果的分析到实例的应用、论文的撰写，王老师都给笔者极大的帮助。导师的正直、宽容、无私以及积极向上的工作作风都给我极大的启发和鼓舞，导师渊博的知识、开阔而敏捷的思路、严谨的科研态度令人敬佩，让学生受益匪浅。在导师的无私和精心指导下，我的论文才得以完成。对导师几年来的耐心指导和精心培养，学生将铭记在心，终生不忘。值此论文完成之际，谨向导师致以崇高的敬意和诚挚的谢意。在此衷心感谢导师对我的关心和指导。在多年来的学习和论文完成过程中

4、，感谢汪越胜教授以及兑关锁、郭雅芳、黄海明、金明等力学系所有老师在学习、生活和工作上的帮助。感谢已毕业和即将毕业的师兄弟王勇华、曾昱、李郑发、姚凯，师妹畅若妮、王琳云等对我各方面给予的大力帮助。同时感谢在博士生实验室给予我热情帮助的同窗刘铁军、赵永利、王足、李凤莲、李建宝、吴文平、亓宏刚、石志杰、肖卫国、徐晓亮、张新春等。感谢我硕士研究生期间的指导老师张俊彦教授，感谢他对我学习和生活上的帮助。感谢我的爱人几年来无怨无悔、始终如一的宽容、理解、支持与奉献!感谢我聪明可爱的女儿，是她给我的生活带来了无尽的欢乐!再次向所有曾经指导、

5、关心、帮助和理解我的老师、同学及家人致以深深的谢意。’l^殍h'：是由连续纤维增强体和具有形状记忆功能的聚合物基体复合而成。它既具有传统纤维增强聚合物基复合材料的高结构性能，又拥有形状记忆效应和高折叠变形率，因此在未来空间展开结构中具有极大的应用潜力。实验证明，在EMC基体玻璃化转变温度(瓦)之上，聚合物基体处于柔软的高弹态，这时可通过受压区纤维微屈曲实现结构较大折叠变形率。因此，局部微屈曲是该类功能材料的主要变形机理。本文首先对单向EMC层合板折叠过程微屈曲模式进行了分析。单向EMC层合板在疋温度以上缓慢地进行折叠变形时，压

6、缩区的纤维有可能发生面内或面外微屈曲。对EMC层合板任意弯曲状态下选取一有效微屈曲单元，分别计算纤维发生面内与面外微屈曲的单元体所储存的应变能。通过比较两应变能发现，其差异仅由基体剪切模量与基体拉压模量决定，面内、外微屈曲分别对应基体的剪切模量与拉压模量。由于材料的剪切模量小于拉压模量，依据能量最低原理，单向EMC层合板在疋温度以上折叠变形时临界屈曲最有可能发生面内微屈曲模式。其次，由于受压区纤维微屈曲导致层合板中性层位置偏离几何中心，将中性层位置及微屈曲半波长表达式代入弯曲层合板的总变形能表达式，即可获得弯曲层合板实际储存的

7、总变形能。依据虚功原理，通过总变形能表达式可推导出弯矩与曲率之间的非线性关系式，其中微屈曲之前的小曲率变形阶段可用传统线弹性单向板弯曲理论分析。并将所得线性与非线性弯曲行为理论结果与单向EMC层合板在热激活温度下的四点纯弯曲实验结果进行了比较。再次，以曲率和板厚为变量，定量研究了单向EMC层合板在热激活温度下进行弯曲时的线性与非线性弯曲公式的几何适用条件。文中提出了一个新的求解纤维临界微屈曲的二维(2D)简化模型，并结合Timoshenko梁屈曲理论，求出了热激活温度下EMC层合板中纤维的临界微屈曲应变。由层合板压缩底边的名义

8、应变刚好等于纤维的临界微屈曲应变，进一步求出了临界微屈曲曲率数学表达式。单向EMC层合板从弯曲的开始到临界曲率之间适合线弹性板的弯曲理论，而从临界曲率直到材料破坏的绝大部分弯曲过程适合本论文提出的非线性弯曲理论。最后，研究了单向EMC层合板在热激活温度下弯曲时的可能破坏模式。