具有双稳态特性的复合材料结构粘弹性模型与变形机理研究

As a novel composite structure with bistable characteristics (bistable structure for short),i.e.,which can be extended and roll-up, has the advantage of light，superior mechanical properties and higher utilization ratio in space，can find its application in various fields. However, due to the polymer matrix material(epoxy resin or polypropylene etc.) of the bistable structure made from carbon/epoxy，glass/polypropylene is assumed that elastic, and ignore its viscoelastic property,the theoretical model can not really match with the experimental result. A viscoelastic theoretical model on the bistable structures' deformation behaviour with respect to the external actuators,such as mechanical loads and smart material driving (piezoelectric patches or SMAs, etc.) was extablished in this project. A calculation method and a computational model with both numerical simulations and experimental tests were established to investigate the bistable deformation mechanism. The bistable characteristics of the laminated composites made from different materials were tested under curing and loading processes so as to explore the main factors and their correlations among the shape changes. The effects of the different parameters and environmental factors(such as temperature and moisture) were studied as well. .Through the study of the viscoelastic theoretical model and deformation mechanism of the bistable structure, the theoretical guidance and technical basis is provided for design and fabricate of the bistable composite structure.

具有双稳态特性的复合材料结构(简称为双稳态结构)是一种新型的可伸展、可卷曲结构，具有轻质、力学性能优异和空间利用率高等特性，应用前景广阔。目前有关碳纤维/环氧树脂、玻璃纤维/聚丙烯等以非金属聚合物为基体的双稳态结构的理论模型以假定基体 (环氧树脂、聚丙烯等)线弹性为主，忽略了基体材料固有的粘弹性特性，理论描述不准确致使与实验结果偏差较大，本项目提出一种能真实反映由机械载荷驱动、智能材料驱动(如压电片或者形状记忆合金等)的双稳态结构变形的基体粘弹性理论模型，采用数值模拟与实验相结合的方法，建立求解双稳态结构的计算方法和模型，对由不同材料制备的层合型复合材料在制备固化、加载过程中的双稳态特性进行研究，发现其双稳态特性机理，分析不同参数、环境因素(温度、湿度)对双稳态构型的影响。.通过对双稳态结构粘弹性理论模型和变形机理的研究，为设计和制备双稳态结构提供理论指导和技术依据。

具有双稳态特性的复合材料结构是一种新型的可伸展、可卷曲结构，具有轻质、力学性能优异和空间利用率高等特性，应用前景广阔。本项目提出一种能真实反映双稳态结构变形的基体粘弹性理论模型，理论、数值模拟与实验相结合对双稳态特性进行研究，发现其双稳态特性机理，分析多种参数、环境因素对双稳态构型的影响。主要包括：.1. 基于经典层合板理论和最小势能原理，研究不对称、反对称和对称型复合材料结构的理论模型，建立考虑剪切应变对结构弯曲和拉伸应变能影响的反对称层合圆柱壳的双稳态理论模型，模拟和预测其双稳态间构型变化。.2. 采用模压固化方法制备出非对称正交铺设（[0/90]n）和反对称铺设（[α/-α]n）的碳纤维填充环氧树脂双稳态结构，对其材料性能进行测试，并提出通过“两点加载法”施加外载荷对其稳态间转变进行控制。研究不同参数对双稳态构型的影响，控制其在双稳态构型间的变化规律。.3. 对机械载荷驱动的反对称铺层、正交非对称铺层的双稳态壳采用有限元方法对其固化、稳态间转变过程进行数值模拟。主动设计出了非规则铺设的反对称层合圆柱壳结构，通过改变铺层顺序等来获取不同的第二稳态卷曲半径。.4. 考虑整体温度场以及温度梯度对反对称双稳态复合圆柱壳的影响，建立了温度影响下的双稳态复合材料的计算模型。通过控制温度改变量与温度梯度的不同组合，实现对反对称圆柱壳的双稳态特性进行调控。.5. 分析热暴露后双稳态结构宏观性能、微观结构，给出了热暴露温度、时间对双稳态结构性能的影响，采用自行组装的含温控箱反对称复合材料双稳态壳结构实验平台进行了不同铺层、几何参数的双稳态实验。.6. 考虑基体材料粘弹性的特性，提出较真实的描述双稳态构型的粘弹性理论模型。根据纤维和基底的材料属性采用理论分析的方法得到纤维复合材料单层板的粘弹性材料属性；根据经典层合板理论、最小应变能原理和Maxwell粘弹性模型建立双稳态复合材料层合结构的粘弹性模型，得到其第二稳态主曲率与扭曲率随加载时间和温度的变化关系。进而采用有限元法研究了加载时间和温度对层合结构第二稳态性能的影响。