基于形状记忆材料的薄膜皱曲形变控制研究

论文摘要

褶皱是超轻型薄膜结构中一种常见的形变状态,它是影响结构性能的主要因素之一,且在高精度薄膜结构的设计中,褶皱已被认为是一种失效模式,因为褶皱的存在会显著的降低结构的形面精度。薄膜结构褶皱控制问题的研究具有重要的理论研究和工程应用意义。本文以薄膜结构力学理论为基础,结合褶皱产生及演化机理,分析了形状记忆合金的驱动原理及形状记忆聚合物记忆特性,得到了基于形状记忆材料的薄膜褶皱控制机理,建立了薄膜褶皱的控制方案。为了验证这一控制方案的可行性,建立了基于形状记忆材料薄膜褶皱控制分析的试验系统,利用光纤布拉格光栅传感系统、数字摄影测量技术及自行设置的薄膜褶皱控制装置,进行了基于形状记忆合金和形状记忆聚合物复合材料驱动元件的薄膜褶皱控制试验,对拉伸方膜的小幅度褶皱问题进行了对比分析,得到了形状控制规律。利用ANSYS软件进行了结合薄膜褶皱控制效应的数值分析,将驱动元件的驱动效应转化为变形分步施加到褶皱模拟模型上进行了分析,得到了褶皱后屈曲阶段的构型参数。试验结果和数值分析结果表明利用形状记忆材料可以将薄膜的皱曲形变的幅度减少,使褶皱得到了有效的控制,证明了应用形状记忆材料来控制薄膜结构褶皱的可行性。本文所开展的薄膜结构褶皱控制研究是进行空间薄膜结构形面精度控制的基础,为后续进行空间结构的褶皱控制及振动控制奠定了一定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本研究课题的背景及其意义
• 1.2 国内外文献综述
• 1.2.1 薄膜褶皱的预测研究
• 1.2.2 薄膜褶皱的控制试验研究
• 1.2.3 相关领域的研究进展及成果
• 1.2.4 待深入研究的问题
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 薄膜褶皱控制机理
• 2.1 引言
• 2.2 褶皱产生及演化机理
• 2.3 产生褶皱的根本原因
• 2.4 形状记忆合金及形状记忆聚合物的形状记忆性能分析
• 2.4.1 形状记忆材料
• 2.4.2 形状记忆合金的形状记忆效应
• 2.4.3 形状记忆聚合物形状记忆性能
• 2.5 薄膜褶皱控制机理
• 2.6 控制方案
• 2.7 本章小结
• 第3章 薄膜褶皱的控制试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 驱动试件采用形状记忆合金的褶皱控制实验
• 3.2.1 利用光纤布拉格光栅测形状记忆合金的变形与临界电流
• 3.2.2 基于SMA驱动元件的薄膜褶皱控制试验
• 3.3 驱动试件采用形状记忆聚合物复合材料的控制试验
• 3.3.1 形状记忆聚合物复合材料驱动元件的制备
• 3.3.2 采用SMP复合材料的褶皱控制实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 薄膜褶皱控制的数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 褶皱的数值计算
• 4.2.1 本征值屈曲分析
• 4.2.2 非线性屈曲有限单元分析
• 4.3 褶皱控制的数值模拟
• 4.3.1 关键技术的应用
• 4.3.2 分析过程
• 4.4 褶皱控制试验的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢