摘 要

形状记忆合金与橡胶基体复合而成的超弹性SMA复合材料以其独特的热力学特性拥有十分广阔的应用前景。但温度作用下SMA与橡胶基体间的界面粘结状况对该复合体系能否发挥出应有的效用产生了巨大影响。

针对SMA增强橡胶复合材料的结构和变形特征，并基于牵引分离损伤准则采用零厚度双线性软化内聚力单元模拟SMA与橡胶基体之间的界面，建立了SMA单丝拔出有限元模型，分析了不用温度下纤维拔出模拟过程中脱粘位移、界面应力场变化规律：随着温度升高，纤维的拔出力降低，但纤维轴向应力、界面剪应力都会增大。

基于SMA单丝拔出有限元分析结果，建立了不同曲率半径的蛇形结构的SMA/橡胶复合材料的数值模型，分析温度、曲率半径对复合材料性能的影响，以及改变纤维曲率半径后纤维附近的应力集中情况。结果显示：SMA/橡胶复合材料的整体刚度会随温度的升高而降低，蛇形SMA纤维的曲率半径的减小会增大半圆顶部SMA纤维与橡胶接触界面的应力，加速脱粘。

关键词： SMA/橡胶复合材料；温度；界面；数值模拟

Abstract

The superelastic SMA composite made of shape memory alloy and rubber matrix has a wide application prospect due to its unique thermodynamic properties.However, the interface bonding between SMA and rubber matrix under the action of temperature has a great influence on whether the composite system can play its due role.

For SMA reinforced rubber composite structure and characteristics of deformation and damage criterion used to separate and based on traction, zero thickness bilinear softening unit cohesion simulation of SMA and the interface between the rubber matrix, SMA monofilament pulled up finite element model is established and analyzed without temperature fiber pull out simulation displacement, interfacial debonding stress field change law: with temperature increase, the pulling power of the fiber is reduced, but the fiber axial stress, the interface shear stress will increase.

Based on the finite element analysis results of SMA single wire pulling out, the numerical model of SMA/ rubber composites with snake-shaped structures with different radius of curvature was established, and the effects of temperature and radius of curvature on the properties of composites were analyzed, as well as the stress concentration near the fibers after the radius of curvature was changed.The results show that the overall stiffness of SMA/ rubber composite material will decrease with the increase of temperature, and the curvature radius of snake-shaped SMA fiber will increase the stress of the contact interface between SMA fiber and rubber at the top of the semicircle and accelerate the debonding.

Key Words：SMA/ rubber composite; Temperature; Interface; Numerical simulation;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文工作 3

第2章 SMA纤维与橡胶的本构方程 5

2.1 本构方程 5

2.1.1 SMA本构方程 5

2.1.2 橡胶本构方程 6

2.2 本构方程的选用 7

2.3 本章小结 13

第3章 SMA单丝拔出有限元分析 14

3.1 双线性软化界面内聚力模型 14

3.2 SMA单丝拔出有限元模拟 15

3.2.1 有限元建模 15

3.2.2 结果与分析 16

3.3 本章小结 18

第4章 蛇形SMA/橡胶复合材料力学性能有限元分析 19

4.1 蛇形SMA/橡胶复合材料的建模 19

4.2 温度影响下蛇形SMA/橡胶复合材料力学性能分析 20

4.2.1温度影响界面性能的蛇形SMA建模 20

4.2.2 温度对SMA/橡胶复合材料力学行为的影响 20

4.3 纤维曲率影响下蛇形SMA/橡胶复合材料力学性能分析 22

4.3.1纤维曲率影响界面性能的蛇形SMA建模 22

4.3.2 纤维曲率对SMA/橡胶复合材料界面最大应力的影响 23

4.4 本章小结 26

第5章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

科技进步和社会的发展使得越来越多的领域对材料提出了新的要求，传统材料的功能过于单一，已经无法满足更多设计的要求。因此，急需寻找新的、更多功能的材料。

形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）在众多性质优良的材料中 ，因为其特有的形状记忆效应（Shape Memory Effect,SME）与超弹性效应（Superelasticity,SE）在多个领域获得了广泛应用。这种特性的本质是材料中的马氏体和奥氏体之间相变的结果^[1,2]，通过图1-1可以直观的看出形状记忆效应和超弹性的机理。形状记忆合金(SMA)，特别是镍钛合金(NiTi)由于其典型的超弹性和形状记忆特性，在许多领域得到了越来越广泛的应用。

这种材料经历了大约10%的相对较大的变形，而在超弹性区域没有表现出任何塑性。它的形状记忆效应也允许大的变形，但可以观察到永久性的变形。在后一种情况下，可以通过加热恢复到最初的形状。