论文总字数：24886字

摘 要

在现代科技生活中，人们对柔性智能器件的需求日益增强。所谓柔性智能器件就是将驱动材料与具有良好弯、扭特性的弹性体相结合，并利用驱动材料对外部环境或内部条件变化的响应，实现器件结构的自适应调整。本文将形状记忆合金与橡胶弹性体进行组合，通过设计SMA丝在橡胶基体中的排布形式，制成一种由温度驱动其弯曲折叠-回复展开的柔性复合板结构。借助有限元软件ABAQUS，对SMA丝/橡胶复合板结构偏转过程进行仿真分析，然后在复合板偏转数值研究的基础上改变结构设计，实现其周期性爬行运动的模拟，从而揭示了不同情况下该结构的受力、变形以及应变能储存和释放机制。研究结果表明，将只具备单程形状记忆效应的SMA丝填入橡胶基体，再借助橡胶可回复变形中储存和释放能量的特点，能够充分发挥两种材料性能，使得两者构成的复合板表现出双程驱动性能。本文工作为寻求高效的柔性结构控制模式指明了方向，对基于形状记忆合金的高弹性复合器件设计开发也具有指导意义。

关键词：形状记忆合金；橡胶弹性体；复合板；驱动性能；数值模拟

Abstract

In the modern life of science and technology, people’s demand for soft intelligent devices is increasing day by day. The soft deice is to combine the driving material with the elastomer with good bending and torsion characteristics. And the adaptive adjustment of the structure is realized by the response of the driving material to the change of external environment or internal conditions. This paper combines shape memory alloy and rubber elastomer, propose a kind of composite plate structure driven by temperature. Using finite element software ABAQUS, to simulate the bending process of SMA wire/rubber composite plate. Then, improve the design and mimic a periodic crawling locomotion. Have a deeper knowledge of different stress, deformation, energy release and storing during different situations. The result of research shows that embedding one-way shape memory alloy into rubber matrix can give a full play to the characteristic of two materials and achieve two-way driving property. The work of this paper points out the direction foe seeking the efficient control mode of flexible structure and has guiding significance for the design and development of elastic composite devices based on shape memory alloy.

Key Words：shape memory alloy；rubber elastomer；composite plate；driving property; numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究背景、目的及意义 1

1.2.1 研究背景 1

1.2.2 研究目的及意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 SMA复合体系研究 2

1.3.2 柔性驱动研究 3

1.4 课题研究内容及预期目标 4

第2章 形状记忆合金的基本特性和基础理论 6

2.1 形状记忆合金基本特性 6

2.1.1 形状记忆效应 6

2.1.2 超弹性 7

2.1.3 高阻尼特性 7

2.1.4 电阻特性 7

2.2 SMA本构方程 8

2.3 本章小结 10

第3章 形状记忆合金的参数测定及响应速度分析 12

3.1 SMA材料参数测试 12

3.1.1 相变临界温度 12

3.1.2 弹性模量 12

3.1.3 最大可回复应变 13

3.2 SMA丝响应速度分析 13

3.3 本章小结 15

第4章 形状记忆合金/橡胶复合板的驱动数值模拟 16

4.1 材料参数 16

4.1.1 SMA材料参数 16

4.1.2 橡胶材料参数 16

4.2 SMA/橡胶复合板偏转模拟 17

4.2.1 SMA/橡胶复合板结构 17

4.2.2 模型建立 17

4.2.3 结果分析 19

4.3 SMA/橡胶复合体爬行模拟 23

4.3.1 SMA/橡胶复合体结构 23

4.3.2 模型建立 23

4.3.3 结果分析 25

4.4 本章小结 30

第5章 结论与展望 32

5.1总结 32

5.2展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 引言

20世纪30年代，美国科学家Olander发现Au-Cd合金中马氏体随温度的变化而生长和消失的过程。20世纪40年代，苏联科学家Kurdjumov研究Cu-14.7Al-1.5Ni合金时发现马氏体在冷却过程中形成，在加热过程中逐渐消失，并将这一过程称为热弹性马氏体相变。20世纪60年代，美国海军武器实验室Buehler等人在考察Ti-Ni合金的性质时发现，合金变形随着温度升高会恢复至变形前的形状，于是正式提出“形状记忆效应”一词，具有该特点的合金材料被称为“形状记忆合金”^[1]。自此形状记忆合金进入了人们的视野，并逐渐引起研究者的广泛关注。

1.2 研究背景、目的及意义

1.2.1 研究背景

形状记忆合金（SMA：Shape Memory Alloy）作为一种自适应驱动材料，其最显著特性就是形状记忆效应和超弹性性质^[2]-[3]。利用这种独特的热力学性质，将形状记忆合金以不同形式（如纤维、薄膜等）填入其它基体材料（如金属和高聚物）中，不仅可以进行力学改性，还能得到各种智能属性的SMA复合体系，用途十分广泛^[4]-[6]。

（a）铝基SAM复合材料 （b）镁基SMA复合材料

图1.1 常见的金属基SMA复合体系^[6]

自SMA复合体系的概念提出以来，人们在这方面的探索就非常活跃。近年来有学者发现，将形状记忆合金与橡胶基体组合的超弹性SMA复合材料展现了十分突出的应用前景。一方面，橡胶具有良好的柔性和储能特性，能够适应复杂环境，利用橡胶基体的柔性和易变形性，可有效降低材料内的局部应变，使其能够以较低的硬度承担较高的载荷；另一方面，形状记忆合金可以通过温度激励调节形状和受力响应，进而达到控制其服役性能的目的。这种复合体系，能够充分发挥两种组分的优良性能，满足不同的使用需求，具有很好的实际意义和发展空间。

在对形状记忆合金增强橡胶这种新型的低硬度智能材料建立初步了解后，就可以构思采用不同性能、不同形态的SMA与橡胶弹性体进行复合，再通过力、热、电等载荷驱动形状记忆效应，有针对的调节其受力变形特性，发挥主动控制作用，实现其在柔性驱动结构/器件（如近年来快速发展的智能软机器人^[7]）领域的设计开发和应用。所谓柔性结构，是指具有多自由度以及柔性支撑的结构，与传统刚性结构相比，柔性支撑具备良好的弯曲特性，对空间（尤其是微小空间）有更好的适应能力^[8]-[9]。柔性驱动器大多以智能材料作为驱动元件，而结构的智能化体现在对刺激的自识别和自适应能力上，这一工作机制类似于自然界生物对外界环境变化做出的反应，通过调整内部结构适应复杂的环境变化。在这些智能材料中，形状记忆合金以其形状记忆效应和超弹性受到极大关注。利用这种独特的热力学性质，可以实现不同形式的运动驱动和控制性能。将形状记忆合金埋入同样具有超弹性性质的硅橡胶基体材料中，能够实现可驱动大变形的柔性驱动结构。

从现实需求来看，随着生产技术的不断发展，复杂的工作环境对驱动结构提出了更高的要求。以电机驱动为代表的传统刚性结构受驱动效率和传动结构限制，面临着更加严苛的挑战，无论是从适应不同的工作环境、提高驱动效率，还是从实现更加友好的人机交互环境^[10]的目标来看，柔性驱动结构的开发和应用前景都是十分巨大的。

1.2.2 研究目的及意义

就现阶段的研究来看，形状记忆合金增强橡胶以颇具特色的物理力学性能引起了人们的兴趣和重视，并开始应用到既定的实际领域，成为当前复合材料与智能材料界的一个研究热点。本文正是基于这一背景提出，旨在分析、设计一种具有良好弯曲特性的形状记忆合金/橡胶复合板结构。在利用SMA丝的良好加工特性（可按需求设计成各种不同形态）与橡胶基体可回复弹性（应变能储存释放^[11]）的结合方面，寻求高效控制模式，促成高效的驱动展开。通过准确把控形状记忆合金与橡胶的大变形高弹性质，掌握构件在不同温度下的受力、变形以及应变能储存与释放机制，进而模拟复合板的弯曲变形和恢复，并利用这一特性实现温度作用下的爬行前进运动，以便为相关智能柔性器件提供参考。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 SMA复合体系研究

从提出SMA复合体系的概念开始，人们对其探索就非常活跃。早期SMA复合体系研究多集中于以铝基和树脂基为代表的复合体系。

Yang等学者^[12]利用真空热压法制备得到Ni-Ti/Al形状记忆合金（SMA）复合材料。通过观察Ti-Ni丝与Al基体的界面结合，发现基体和Ni-Ti合金结合处界面产生约厚的扩散层。研究复合材料的准静态和动态压缩力学性能时，发现复合材料各向异性程度随Ni-Ti体积分数的增加而增加；Ashir等学者^[13]对基于形状记忆合金混合纱线（SMA-HY）的自适应纤维增强塑料（FRP）的实现和变形行为进行了研究。利用结构参数（例如编织，织物层数和曲率半径）研究自适应3D FRP的变形行为。研究发现，复合材料的自适应FRP的行为在很大程度上取决于结构参数。在此基础上，他们根据工艺改变SMA和纤维增强塑料基质之间的阻挡层，通过电阻加热和拉拔试验来研究SMA混纺纱线在自适应FRP中的滑动阻力。

随着现代科技生活对柔性智能器件的需求日益增强，形状记忆合金和橡胶弹性体组成的复合体系展现了突出的应用前景，这方面的研究成果也开始见诸报道。对于形状记忆合金增强橡胶的研究，较早可追溯到国外Barrett等学者^[14]提出的一种超活性复合材料，该材料是将规则排布的SMA单丝埋入橡胶基体中制成，通过控制温度来调节复合体系的形状和受力大小。后来又有人尝试将形状记忆合金加工成不同的形式，再埋入橡胶弹性体进行性能测试，如Heller等^[15]提出的螺旋状SMA缠绕结构，以及Chemisky等^[16]提出的蛇形SMA编织结构，Feng等^[17]提出的纤维状SMA排布结构，从他们的研究结果来看，复合材料在一定程度上继承了形状记忆合金的热力学特征，并且由于内部结构，在某些特征上例如可恢复应变的大小、超弹性阻尼能力和热致动应变优于形状记忆合金单丝。此外，集成复合材料具有更大的承载能力。采用这些不同工艺制备的不同结构特点的形状记忆合金/橡胶复合体系，能够充分体现两种材料的性能，实现不同的实验需求，具有很强的实际应用价值。

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