形状记忆聚合物记忆过程热力学性能分析.pdf

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1、·信息技术·黄天麟，等·形状记忆聚合物记忆过程热力学性能分析形状记忆聚合物记忆过程热力学性能分析黄天麟，孙慧玉【南京航空航天大学，江苏南京210016)摘要：考虑蠕变残余应变的温度相关性，假设形状记忆聚合物为各向同性材料，将一维热力学本构方程扩展到三维。基于该增量形式的本构。在有限元软件ABAQUS中开发了适用于模拟形状记忆聚合物形状记忆过程的材料接口子程序。对形状记忆聚合物记忆过程进行有限元模拟。分析了加栽速率和变温速率对形状记忆聚合物的热力学性能和记忆性能的影响，数值模拟的结果与实验吻合良好关键词：形状记忆聚合物；三维

2、本构；率相关；有限元方法中图分类号：TB381文献标志码：A文章编号：1671—5276(2015)04．0091—04AnalysisofThermo-mechanicalPropertiesofShapeMemoryPolymersinShapeMemoryProcessHUANGTianlin，SUNHuiyu(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)Abstract：Assumingshapememorypolymersto

3、beisotropic，withconsiderationoftemperature-dependentcreepresidualstrain，athree-dimensionalthermo-mechanicalconstitutiveequationofshapememorypolymers(SMPs)isderivedfr0mone·dimensionalcon-stitutiverelationshipbasedonviscoelastictheory．Ausermaterialsubroutineprogramo

4、ftheCAEsoftwareABAQUSiscompiledtosimulatethememoryprocess．Strain／temperatureratesimpactonthethermo—mechanicalandshapememorypropertiesofSMPsisanalyzedanditshowsagoodagreementwiththeexperimentaldata．Keywords：shapememorypolymers；3Dconstitutiveequation；rate·dependent；

5、FEM忆聚合物三维热力学本构方程，并将其修改为适用于有限O引言元分析的增量形式。利用有限元软件，数值模拟了SMPs高温加载、保载降温、保温卸载和升温恢复4个典型过程．形状记忆聚合物(SMPs)具有变形量大、易赋形、不计算相关记忆特性参数，有限元模拟结果与实验、文献的锈蚀、质轻价廉、响应温度便于调整等优点，受到了广泛模拟结果吻合良好。关注[1]。其中。热致形状记忆聚合物能够根据温度变化记住不同的形状，是研究并投人应用最广泛的形状记1SMPs热力学本构模型忆聚合物。热致形状记忆聚合物的典型记忆过程为：1)对具有一定初始形状的形

6、状记忆聚合物试件升温至玻璃化转变温度，以上，施加载荷使其发生形变；2)保持1．1本构方程推导外载荷降温至以下；3)卸载，材料会记住此时的临时式(1)是Tobushi等[5]基于单向拉伸提出的形状记忆形状；4)再升温至以上，材料可以自动恢复到加载前聚合物材料小变形率相关的一维线性本构方程：的初始形状。目前，对热致形状记忆聚合物的研究主要集中于准静：吾百+一下8-o~"s+dr(1)态的拉伸、压缩和弯曲实验。基于实验结果提出的本构模型主要有两种]：1)能够较好描述SMPs宏观热力学性式中：为弹性模量；为粘性系数；A为延迟时间；

7、为热能和形状记忆行为的热粘弹模型。2)能够较好解释形状膨胀系数；为蠕变残余应变。记忆过程中应变储存和释放机理的相变学模型。这些本现将式(1)拓展到三维，使之能够描述复杂应力状态构模型是在简单载荷条件下提出的，不能直接用于复杂应下SMPs的热力学性能。力状态或者复杂结构形状的形状记忆聚合物试件。因此首先，不考虑热膨胀和蠕变残余应变得到的粘弹性本开发适用于有限元分析的形状记忆聚合物本构方程．在节构方程为：约大量研究时间和成本的同时。还可以获得更加复杂的形+=s(2)状记忆聚合结构的机械性能信息。文中考虑蠕变残余应变的温度相关性

8、。推导了形状记对各向同性的粘弹性材料来说，需要两个跟时间相关作者简介：黄天麟——MachineBuilding8Automation，Aug2015，44(4)：91一·91··信息技术·黄天麟。等·形状记忆聚合物记忆过程热力学性能分析的互相独立的系数来描述其力学行为，一个是剪切模量G(t)，另一个是体