热致形状记忆聚氨酯有限变形超弹-粘塑性本构模型研究

摘要

热致形状记忆聚氨酯（Thermo-inducedShape memory polyurethane，简称TSMPU）是一种新型的功能高分子材料，由于其具有低密度、低成本、易加工、大变形和玻璃化转变温度可调节等优点而被广泛地应用到航空航天、生物医疗、纺织工业等领域中。为了提高TSMPU的实际应用范围，许多学者对其进行了相关的实验研究和理论研究。然而，在实验研究方面，对 TSMPU 在不同温度和不同加载率下的单轴拉伸实验以及不同加载率和不同加载幅值下的形状记忆效应实验研究还较少。在本构模型方面，缺乏能够同时模拟TSMPU不同温度和不同加载率下单轴拉伸应力-应变曲线以及不同加载率和加载幅值下形状记忆效应的本构模型。因此，进行 TSMPU 在不同温度和不同加载率下的单轴拉伸应力-应变曲线以及不同加载率和加载幅值下的形状记忆效应的实验研究，进而建立能够模拟TSMPU不同温度和加载率下的单轴拉伸应力-应变曲线以及不同加载率和加载幅值下形状记忆效应的本构模型，对 TSMPU 变形机理分析和工程应用均具有十分重要的研究意义。 本论文主要研究工作总结如下： (1) 对 TSMPU 进行了不同温度和不同加载率下的单轴拉伸实验，结果显示：TSMPU的屈服应力随温度的升高而减小，随加载率的增加而增加，在温度范围为308~318K时TSMPU具有明显的屈服峰，当温度范围为323~343K时屈服峰消失。对TSMPU进行了不同加载率和加载幅值下的形状记忆实验，结果显示：TSMPU的开始回复温度随加载率的增加而增加，随加载幅值的增加而减小，回复率随加载率的增加而减小，随加载幅值的增加而增加。 (2) 对典型的橡胶态超弹性模型、玻璃态粘塑性模型和形状记忆模型进行了数值实现，通过与实验结果的对比对上述的本构模型进行了综合评估，结果显示：Mooney-Rivlin 模型对 TSMPU的橡胶态超弹性模拟较好，Arruda-Boyce 八连模型对TSMPU的超弹性模拟效果较差；Boyce流变学模型对TSMPU屈服峰模拟较好，但对屈服后的应变强化行为模拟有待改进；Qi模型对低温下的应变强化行为和高温下的拉伸行为均模拟效果较差。 (3) 在已有的弹粘塑性模型基础上，基于对数率，在有限变形下建立了适用于TSMPU的超弹-粘塑性本构模型。该模型不仅能很好地模拟TSMPU在不同温度和不同加载率下的单轴拉伸实验，而且能模拟 TSMPU 在不同加载率和加载幅值下的形状记忆实验。

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