黄天麟，孙慧玉

(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

形状记忆聚合物记忆过程热力学性能分析

黄天麟，孙慧玉

(南京航空航天大学，江苏 南京 210016)

摘要：考虑蠕变残余应变的温度相关性，假设形状记忆聚合物为各向同性材料，将一维热力学本构方程扩展到三维。基于该增量形式的本构，在有限元软件ABAQUS中开发了适用于模拟形状记忆聚合物形状记忆过程的材料接口子程序，对形状记忆聚合物记忆过程进行有限元模拟。分析了加载速率和变温速率对形状记忆聚合物的热力学性能和记忆性能的影响，数值模拟的结果与实验吻合良好。

关键词：形状记忆聚合物；三维本构；率相关；有限元方法

Analysis of Thermo-mechanical Properties of Shape Memory Polymers

in Shape Memory Process

HUANG Tianlin，SUN Huiyu

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:Assuming shape memory polymers to be isotropic, with consideration of temperature-dependent creep residual strain，a three-dimensional thermo-mechanical constitutive equation of shape memory polymers(SMPs) is derived from one-dimensional constitutive relationship based on viscoelastic theory. A user material subroutine program of the CAE software ABAQUS is compiled to simulate the memory process. Strain/temperature rates impact on the thermo-mechanical and shape memory properties of SMPs is analyzed and it shows a good agreement with the experimental data.

Keywords:shape memory polymers; 3D constitutive equation; rate-dependent; FEM

0引言

形状记忆聚合物(SMPs)具有变形量大、易赋形、不锈蚀、质轻价廉、响应温度便于调整等优点，受到了广泛关注[1-3]。其中，热致形状记忆聚合物能够根据温度变化记住不同的形状，是研究并投入应用最广泛的形状记忆聚合物。热致形状记忆聚合物的典型记忆过程为：1) 对具有一定初始形状的形状记忆聚合物试件升温至玻璃化转变温度Tg以上，施加载荷使其发生形变；2) 保持外载荷降温至Tg以下；3) 卸载，材料会记住此时的临时形状；4) 再升温至Tg以上，材料可以自动恢复到加载前的初始形状。

目前，对热致形状记忆聚合物的研究主要集中于准静态的拉伸、压缩和弯曲实验。基于实验结果提出的本构模型主要有两种[4]：1) 能够较好描述SMPs宏观热力学性能和形状记忆行为的热粘弹模型。……