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1、 硕士学位论文 基于形状记忆材料的薄膜皱曲形变 控制研究 STUDY OF MEMBRANE WRINKLING CONTROL BASED ON SHAPE MEMORY MATERIALS 鲁明宇 哈尔滨工业大学 2008 年 6 月 国内图书分类号：V414.3 国际图书分类号：621 工学硕士学位论文 基于形状记忆材料的薄膜皱曲形变 控制研究 硕 士 研 究 生：鲁明宇 导师：谭惠丰 教授 申请学位级别：工学硕士 学 科、专 业：工程力学 所 在 单 位：复合材料与结构研究所 答 辩 日 期：2008 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index：V414
2、.3 U.D.C.:621 A Dissertation for the Degree of M.Eng.STUDY OF MEMBRANE WRINKLING CONTROL BASED ON SHAPE MEMORY MATERIALS Candidate：Lu Mingyu Supervisor：Prof.Tan Huifeng Academic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Engineering Mechanics Affiliation：Center for Composite Materials Date o
3、f Oral Examination：June,2008 University：Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 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
4、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
5、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。关键词 薄膜褶皱；形状记忆材料；形状控制 -I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Wrinkling is a nomal deformation status in ultra light membrane strucrures which is one of the main factors affecting the performance of structures.It has been considered as a failure pattern as i
6、t can cause dramatic decrease of shape accuracy.The study of membrane wrinkling control has both the analytical and engineering meanings.The control mechanism and scheme of membrane wrinkles are obtained based on the basic theory of membrane mechanics,in this paper,and by analysing the shape-memory
7、performance of shape memory materials with the combination of wrinkling formation and evolution mechanism.A experimental system is developed to verify the control mechanism with photogrammetric measurement technique and FBG(Bragg fiber grating)sensor technique.The wrinkling control experiments are f
8、inished by measuring and analysing small amplitude wrinkles of extended membrane based on the active components made of SMA(shape memory alloy)and SMPC(shape memory polymer composite)materials.Then,simulations are finished by ANSYS finite element software with active effect which is introduced into
9、the amplitude of wrinkle analysis.The configuration parameters of post-buckling wrinkles are obtained by the simulations.Both the experimental and numerical solution show that the amplitudes of wrinkles are reduced which proves the feasibility of wrinkling control using shape memory materials.The me
10、thod introduced in this thesis is the foundation of shape control of space membrane structures which is important to the following work of wrinkling and vibration control of space membrane structures.Keywords membrane wrinkles;shape memory materials;shape control-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录 摘 要.I Abstract
11、.II 第 1 章 绪论.1 1.1 本研究课题的背景及其意义.1 1.2 国内外文献综述.2 1.2.1 薄膜褶皱的预测研究.2 1.2.2 薄膜褶皱的控制试验研究.3 1.2.3 相关领域的研究进展及成果.3 1.2.4 待深入研究的问题.5 1.3 本文的主要研究内容.6 第 2 章 薄膜褶皱控制机理.7 2.1 引言.7 2.2 褶皱产生及演化机理.7 2.3 产生褶皱的根本原因.8 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.9 2.4.1 形状记忆材料.9 2.4.2 形状记忆合金的形状记忆效应.9 2.4.3 形状记忆聚合物形状记忆性能.9 2.5 薄膜褶皱控制机理.
12、10 2.6 控制方案.11 2.7 本章小结.12 第 3 章 薄膜褶皱的控制试验研究.13 3.1 引言.13 3.2 驱动试件采用形状记忆合金的褶皱控制实验.13 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.13 3.2.2 基于SMA驱动元件的薄膜褶皱控制试验.18 3.3 驱动试件采用形状记忆聚合物复合材料的控制试验.26 3.3.1 形状记忆聚合物复合材料驱动元件的制备.26 3.3.2 采用SMP复合材料的褶皱控制实验.29-III-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.4 本章小结.32 第 4 章 薄膜褶皱控制的数值分析.34 4.1 引言.34 4.2 褶皱
13、的数值计算.34 4.2.1 本征值屈曲分析.35 4.2.2 非线性屈曲有限单元分析.37 4.3 褶皱控制的数值模拟.40 4.3.1 关键技术的应用.40 4.3.2 分析过程.42 4.4 褶皱控制试验的数值模拟.44 4.5 本章小结.49 结 论.50 参考文献.51 攻读学位期间发表的学术论文.55 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.56 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.56 致 谢.57-IV-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1 本研究课题的背景及其意义 随着我国航天活动对多功能超大超轻型宇航结构需求的日益迫切，宇航器结构朝大型化轻量化发展已成必然。
14、近年，空间充气膜结构凭其重量轻、折叠体积小和发射费用低等突出优点，已引起人们的关注14。许多未来的宇航结构都设计成以充气膜结构为主体的结构形式，如充气展开天线、充气太阳帆板和充气空间站等57。膜材是构成柔性膜结构的主要部分，因其厚度薄刚度低，故抵抗压缩和弯曲变形的能力十分有限，因此在结构中应使其均匀受拉来满足结构承力需要。由于结构变形和构件间的不匹配位错等原因会导致结构中的膜材受到非均匀拉伸或压缩的情况，此时会在膜结构中产生局部的离面(面外)变形褶皱。褶皱会直接改变结构中力的传播路径，随着褶皱的不断传播和汇聚会使得结构中局部质量和刚度发生显著的变化，进而影响结构的振动和热力学特性。此外，对于高
15、精度空间充气天线结构而言，褶皱的出现将极大的降低反射面的形面精度进而影响其电性能，因此，对于具有高精度要求的空间结构，褶皱的出现已被看作为膜结构趋于失效的判则8。然而，褶皱是可预测和可控的，通过合理的计算和分析是可以准确的预报出皱曲发生的区域以及褶皱的形变和扩展特性，进而可以有效的制定皱曲控制策略以避免不必要的损失。如何通过有效的分析和设计方法，掌握充气膜结构的受力及形变特点，如何通过合理的设计来提高结构的承载力，如何采用有效的方法实现对皱曲形变的控制是充气膜结构设计分析中需要重点解决的问题，也是关系此类结构能否被实际应用于航空航天飞行器结构的关键。智能材料中的形状记忆合金(SMA)及具有如低
16、密度、高应变以及低加工成本等优越于 SMA 的一些突出特点的形状记忆聚合物(SMP)及其复合材料的研究属智能材料和结构研究的热点问题，形状记忆合金和形状记忆聚合物的形状记忆性能适合应用于空间充气膜结构的形变控制研究中。因此，开展此类结构的皱曲形变的智能控制研究对加速充气膜结构在航空航天飞行器结构中的应用，以及推动充气膜结构自身特性研究的发展具有重要的意义。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 国内外文献综述 存在于空间薄膜结构中的褶皱主要分为两类：一类是材料褶皱，一类是结构褶皱。材料褶皱是薄膜结构在制作、加工及折叠状态下产生的，与结构的受力状态无关。材料褶皱将对材料常数产生较大的影响，
17、影响到薄膜的力学性能9。结构褶皱是薄膜在受力状态时，薄膜对压应力的一种屈曲响应行为。与材料褶皱不同，在薄膜没有发生塑性变形的情况下，外力去除以后，结构褶皱会完全消失。由于薄膜多数是工作在受力状态下，所以结构褶皱经常存在于薄膜结构中，结构褶皱也是目前研究的重点10。1.2.1 薄膜褶皱的预测研究 对于不同的薄膜结构，薄膜褶皱的研究的侧重点有所不同。对于张拉膜结构来说，薄膜褶皱研究的重点是褶皱区域薄膜张力的预测和分析，二不是褶皱的具体变形形式。对于高精度的空间薄膜结构来说，薄膜褶皱的研究不仅关注褶皱区域薄膜应力分布的变化，更关心褶皱的面外变形信息，如褶皱的波长、幅度和方向等。研究的侧重点不同，采用
18、的分析方法也不尽相同。1.2.1.1 基于张力场理论的薄膜褶皱分析 最早研究褶皱理论的是 1929 年Wagner所提出的张力场理论。Wagner通过对一组金属薄片进行的剪切试验发现，金属薄片在剪切作用下发生局部屈曲，沿着对角线方向形成褶皱。Wagner认为此时出现的褶皱是一种短波长屈曲现象。在对褶皱进行分析时，Wagner假设金属薄片的弯曲刚度可以忽略，根据此假设薄片在变形过程中没有压缩应力和弯曲产生，金属薄片在任何压缩应力产生之前必须产生屈曲，因此在褶皱薄片上的应力就表现出沿着褶皱方向的单轴张拉状态，这就是最初的张力场理论11。1.2.1.2 基于稳定性理论的薄膜褶皱的分析 这种方法是将薄
19、膜褶皱作为薄膜的局部屈曲现象进行研究。将稳定性理论及分析方法引入到薄膜褶皱分析中，这也是目前唯一能够获得褶皱面外变形信息的方法10。Wagner和Ballerstedt试图通过屈曲分析来研究褶皱行为12。Kuhn和Peterson根据Wagner的张力场理论分析得到了平面和曲面金属薄片的张力场13。Croll指出褶皱的波长正比于薄板的弯曲刚度，并推想薄板的褶皱形变可以通过屈曲分析获得14。Yu T X利用简单的分岔分析方法研究了圆形薄板的褶皱数量1518。Tomoshi采用试验和分岔理论研究了圆形薄膜的扭转褶皱，采用四节点等薄膜单元进行褶皱的分析。在增量形式-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
20、 的有限元方程中为了消除奇异性，在计算的第一步引入一个初始的张力，这样就可以起到稳定模型的作用。非线性的平衡路径是通过利用增量的方法联合Newton-Raphson方法进行跟踪。分岔点可以通过二分法来得到19。1.2.2 薄膜褶皱的控制试验研究 Miyamura通过试验系统的研究了环形薄膜结构在面内扭转的情况下的褶皱形变和应力分布20。Jenkins等人使用电容传感器，分别测量了充气薄膜结构的形变，及在剪力和张力载荷共同作用下的薄膜表面等温过程中的褶皱形变，得到褶皱的面外变形21,22。此外，Blandino等人利用电容传感器，对矩形聚酰亚胺薄膜四角拉伸情况下，褶皱变形进行了试验研究23。最近
21、，摄影测量方法作为一种非接触式的测量技术已经成为柔性薄膜结构形变测量方面经常采用的一种方法。摄影测量法是通过多个数码相机从不同角度对物体进行拍摄，并基于多幅图像上同一标定点之间的三角计算法则，将所得到的两维平面图像装换为三维立体图形，实现对结构形变的测量24,25。Pappa等人利用摄影测量法对充气展开结构的褶皱现象进行了大量的研究工作2629。1.2.3 相关领域的研究进展及成果 褶皱在膜结构中是不可避免的，通过有效的措施消减褶皱并减小其对结构性能的影响是膜皱曲行为研究的目的。褶皱控制研究不多见且相对独立。控制方法主要包括智能控制法和剪切容许边界策略。H.A.DeSmidt,K.W.Wang
22、 and H.Fang 应用PVDF(polyvinylidene fluoride polymer)作为驱动器在薄膜反射镜的周围安装上带有PVDF的缆绳，通过调节PVDF的电压使其发生变形来维持反射镜的形状30。Xiaoqi Bao提出应用EAP(electroactive polymers)制作成充气反射面，EAP材料制成的薄膜可以在扫描电子束的作用下伸展，通过控制EAP薄膜表面的电场分布就可以控制充气反射面的形状，如图1-1所示。文中提出了一种反复运算法则用来计算将EAP薄膜表面从不规则到规则抛物面所需的电场分布。同时应用ANSYS软件对在预应力，充气压力和分布电场作用下的EAP薄膜反射
23、面进行预测。预测结果表明这种方法可以有效的控制反射面的形状31。-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1-1 EAP薄膜反射镜31 Figure 1-1 Membrane reflector using EAP materials31 Houfei Fang提出了一种高精度的薄膜反射镜形状控制系统。在这个形状控制系统中，220块PVDF聚合物薄膜均匀的分布在反射镜后部，如图1-2所示。PVDF薄膜驱动器在电压的作用下可以提供扩展或者压缩力来保证反射面天线的精度。一个波前感测系统用于实时检测反射面天线的形状，将监测到的形状参数转化为信号传输到控制系统，控制系统再根据信号产生控制参数通过动力放大
24、器对驱动器进行控制。文中提出了几种可以用来作为驱动器的材料包括：MFC、压电聚合物薄膜、光敏聚合物、PVDF32。图1-2 PVDF 薄膜反射镜32Figure 1-2 Membrane reflector using PVDF materials32-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 HAN采用多根耦合的形状记忆合金丝对充气管根部局部皱曲形变进行了控制试验和基于ABAQUS的模拟研究，试验和模拟结果表明褶皱区域有所减小。而描述褶皱形变的特征参数远不止这一个，还有最关键的褶皱幅度、波长、数量等，因此，该研究未能SMA金属丝对褶皱形变的有效控制，但也不失为一个具有特色的可参考的控制策略33。K
25、alanovic使用模糊控制方法完成褶皱消减分析34。Peng研究了方形膜褶皱的主动控制方法，其中采用遗传算法(GA)获得对应最小褶皱形变的力，采用神经网络(NN)法预测膜的平整度35。Murphey使用相似的方法研究了膜褶皱的退化效应36。Leifer使用剪切容许边界研究了薄膜剪皱的消除，结果得到试验的验证37。Sakamoto使用相似的方法分析评估了设计参数对褶皱消减的影响，间接的给出了褶皱消减的策略38。Eric Ruggiero提出了应用智能材料中的应用PVDF作为传感器检测充气薄膜结构(如图1-3所示)中的振动信号，同时应用Macro-Fiber Composite(MFC)作为驱动
26、器用来抑制充气管的振动。实验结果证明了应用智能材料抑制薄膜结构振动的可行性,同时他提出空间膜结构的形状控制是另外确保结构最佳状态的关键，并且在文章最后作者提出应用智能材料控制空间充气结构的形状的巨大潜能39。图1-3 实验中所用的Kapton薄膜充气环39Figure 1-3 Kapton inflatable torus in the experiment391.2.4 待深入研究的问题 通过上面对目前研究现状的分析，主要有一下几方面待深入研究的问题：-5-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(1)智能材料所做的传感器和驱动器对整体薄膜结构的影响还有待于进一步研究。(2)将传感器和驱动器结合为一体
27、的智能结构有待于进一步研究。(3)控制法则有待进一步研究。1.3 本文的主要研究内容 在综合国内外研究现状及目前存在于该领域中亟待解决的问题，本文的主要研究内容如下：(1)结合形状记忆合金和形状记忆聚合物复合材料的记忆性能和薄膜结构褶皱的产生褶皱变形的根本原因得到应用形状记忆合金和形状记忆聚合物复合材料控制薄膜结构褶皱的机理。即应用形状记忆材料的形状记忆特性在回复初始形状时的驱动力来抵消薄膜内部的压缩应力，使薄膜褶皱的数量减少、幅度减小，达到控制薄膜皱曲形变的目的。(2)应用光纤布拉格光栅传感器测得形状记忆合金试件的形变量和输入电压电流的关系。得到形状记忆合金回复初始变形的临界电流，为后续的控
28、制试验提供相关数据。(3)利用摄影测量法进行基于形状记忆合金的方形薄膜结构拉伸褶皱智能控制的试验。试验得到了薄膜耙点在控制前后的坐标，通过坐标的变化得到不同时刻薄膜褶皱的数量和幅度，从而得到控制幅度。(4)制作用于得到形状记忆聚合物复合材料驱动元件的模具，制作形状记忆聚合物复合材料驱动元件，进行方膜结构拉伸褶皱智能控制的对比试验，验证SMPC 应用于薄膜结构褶皱控制的可行性。(5)将形状记忆合金和形状记忆聚合物的驱动效应加入到数值模拟分析模型中，进行带有驱动效应的薄膜褶皱数值模拟，将得到的结果与实验进行对比。-6-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 薄膜褶皱控制机理 2.1 引言 薄膜的屈
29、曲过程细分为初始屈曲过程及后屈曲过程。初始屈曲过程是薄膜从平面状态向褶皱状态的转变过程，即褶皱的形成过程；后屈曲过程是褶皱构形相对稳定后的大范围的屈曲过程。两个过程中褶皱的形成和扩展的机理和规律并不相同。一般情况下，初始屈曲过程相对比较短暂，所以对于褶皱构形参数的分析主要针对后屈曲过程10。本章针对后屈曲过程中薄膜褶皱产生的根本原因结合形状记忆材料的记忆性能得到了薄膜结构褶皱的控制机理和控制方案。2.2 褶皱产生及演化机理 已有褶皱试验研究发现，薄膜中的褶皱状态属于单轴拉伸状态，褶皱方向是最大主应力方向，纹理方向是最小主应力方向，这两个方向也是褶皱的扩展方向。由于薄膜自身特性决定其抵抗压缩应力
30、作用的能力十分有限，因此不能通过直接施加压应力的手段使薄膜结构产生褶皱。观察已有的褶皱试件形式，可以发现试件中褶皱的产生主要是由薄膜局部非均匀变形所致。从诱发褶皱产生原因的角度来考虑，采用拉皱试验可以清楚的反映出薄膜结构在平面张力作用下的产生和扩展过程。拉皱试验采用方形试件是由于其在两个对称的端角施加拉伸载荷会在试件中形成非均匀的拉伸变形，同时方形试件的对角方向有足够的可以向褶皱区流动的材料，满足了褶皱产生的两个条件40。通过方形薄膜的拉皱试验可以看出，载荷初期薄膜没有明显的面外形变，主要是面内变形为主，当载荷达到某一临界值时，薄膜结构发生剧烈变形，面外变形立刻出现，褶皱开始形成，且随着载荷的
31、继续增加面外变形亦增加，褶皱处于波动增加状态，幅度和波长以及数量都有不同的变化。当达到临界载荷以前，薄膜面外变形很不明显，处于微小波动状态，主要是面内变形为主要变形形式，当超过临界载荷时，薄膜的面外变形会迅速增加，且变为主要变形形式，随着载荷的增加褶皱变形处于波动状态，说明该结构中不断有新的褶皱产生，且原来的褶皱也在不断变化中。同时褶皱后的薄膜-7-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 出现非均匀变形，也正是这部分非均匀变形致使薄膜产生由面内向面外变形的分叉，局部稳定性丧失，外部材料向中心流动，以提供面内向面外变形所需要的材料，汇集到一定程度后形成大幅度褶皱，这是一种典型的几何非线性变形特征。因此褶
32、皱的形成可以看成是薄膜结构在非均匀变形作用下，其内部压缩应力达到皱曲极限，由面内变形向面外变形的分叉，这是一个典型的非线性问题。促使薄膜结构产生分叉变形时所对应的外部载荷为薄膜结构皱曲极限。褶皱的形成机理是薄膜通过面外变形的方式来释放薄膜中所产生的压应力。而压应力有是通过外载荷的作用产生的，所以在外在和连续作用的情况下，薄膜中产生的压应力将有所增大，导致后屈曲过程中褶皱幅度的增加40。2.3 产生褶皱的根本原因 致使薄膜结构褶皱在不同阶段表现出不同变形行为的根本原因是不同阶段的褶皱演化机理不同。在初始阶段，薄膜受力比较均匀，非均匀变形不明显，薄膜中主要是均匀拉伸载荷作用下的面内平面应力变形，此
33、时薄膜结构是稳定的，几乎没有面外变形。随着外部载荷的继续增加，薄膜的非均匀变形开始变得明显，内部应力亦开始变得不均匀，且在纵向载荷作用下产生了横向压缩应力，且该压缩应力的作用开始逐渐变得突出，材料在横向方向上的由外向内的流动变形开始加速。当横向压缩应力达到薄膜结构局部皱曲失稳的极限值时，原有的结构平衡状态被破坏，薄膜结构中心区域部分开始由稳定状态进入到不稳定状态，因此可以说褶皱是薄膜结构局部稳定性丧失的一种形变表现。此时薄膜面内平面变形开始向面外弯曲变形发展，薄膜的面内位移发生了分叉。分叉发生后，外部材料迅速向中心流动以提供分叉变形所需要的面外位移部分，其表观现象就是在褶皱纹理方向材料“过度收
34、缩”，非线性行为表现突出。致使这种情况产生的根本力学原因是薄膜结构皱曲发生后薄膜中的压缩应力超过了皱曲极限。随着载荷的继续增加，褶皱形变也会随之变化和波动，褶皱波长、幅度和区域的波动变化是主要的形变特征，这些变化可以理解为薄膜结构在外部载荷的作用出现局部失稳后，结构自身在不断寻找新平衡路径的变化过程。薄膜结构皱曲失稳后的应力分布的非均匀性十分明显，且此时在与纵向拉伸载荷垂直的方向的压应力的突出，可以认为此时的压缩应力是由于拉应力作用下的非均匀变形诱导产生的，故又称此时的压应力为诱导压应力。诱导压缩-8-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 应力是导致褶皱产生的根本力学原因40。2.4 形状记忆合金及
35、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 形状记忆材料是指能够感知环境变化(如温度、力、电磁、溶剂等)的刺激，并响应这种变化，对其状态参数(如形状、位置、应变等)进行调整，从而回复到其预先设定状态的材料40。2.4.2 形状记忆合金的形状记忆效应 形状记忆合金(SMA)是目前受到较多关注的一种驱动材料，已被逐步应用于智能材料结构中。智能材料结构识别外界参数后，通过分析、判断，最后自适应的运动。其中运动是靠埋入材料中的驱动材料实现的。它能够改变结构的形状、刚度、应力状态等。SMA 由于其优良的驱动性能，成为驱动材料中重要的一种。形状记忆合金的特点主要有：形状记忆效应，相变超弹性
36、性能，弹性模量随温度变化特性和阻尼特性。其中起驱动作用的主要是形状记忆效应和弹性模量随温度变化特性。它的形状记忆效应是指SMA具有的记忆并回复到它在奥氏体状态下的能力。如果在低温马氏体状态下拉伸SMA并留下较大的塑性变形，那么将SMA加热至一定温度后，马氏体就会转化为奥氏体，SMA将回复到它刚刚开始时的形状，随后再进行冷却或加热，合金形状都将保持不变，见图 2-1。上述过程可以周而复始，称为单程形状记忆。常用的Ti-Ni形状记忆合金可以在一个比较宽的温度范围内获得 8%左右的热回复应变，如果在这一回复过程中施加约束，那么SMA将会产生很大的回复力。这种回复力可用作结构控制时的驱动力41。2.4
37、.3 形状记忆聚合物形状记忆性能 形状记忆聚合物(SMP)是指具有初始形状的聚合物制品经形变固定后,通过加热等外部刺激手段的处理又可使其恢复初始形状的聚合物。热塑性 SMP 是 将粉末状或颗粒状树脂加热熔化时,可逆相和固定相均处于软化状态，原料中原 -9-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 2-1 SMA应力应变曲线41Figure 2-1 Stress-strain curve of SMA41 有的物理交联点消失,将其注入模具中成型、冷却成为希望的形状,在新的条件 下产生新的物理交联点,形成制品中的固定相和可逆相,得到起始态。当加热到适当的温度时,如玻璃化转变温度(Tg),可逆相的布朗运动
38、加剧,材料由玻璃态转为橡胶态,制品发生很大的形变。而固定相仍处于固化状态,作为物理交联点,其分子链被束缚,整体呈现出有限的流动性。因此,以一定的加工方法可使橡胶态的SMP 在外力作用下变形。当在外力保持下冷却,可逆相在形变以后的条件下固化,解除外力后可得到变形态。此时的形状由可逆相维持,其分子链沿外力方向取向,而固定相处于高应力形变状态。当变形态被加热到形状恢复温度如Tg,可逆相软化而固定相保持固化。可逆相分子链运动复活,在固定相的恢复应力作用下解除取向,并逐步达到热力学平衡状态,即宏观上表现为恢复原状42。2.5 薄膜褶皱控制机理 因为薄膜结构产生褶皱的根本力学原因是其内部的诱导压缩应力，那
39、么控制薄膜褶皱的关键就是抵消这部分压缩应力，使褶皱方向的最大主应力相对变小从而达到原来的均匀应力状态，本人考虑利用形状记忆材料中的形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物复合材料(SMPC)，在 SMA 恢复其初始形状和 SMPC回复其初始固化形状时发生变形所产生的驱动力来抵消这部分压缩应力，从而使薄膜结构中的褶皱数量变少、幅度变小，从而达到对薄膜结构皱曲形变控制的目的。-10-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.6 控制方案 智能材料是当前国内外研究的热点，它的研究涉及力学、材料学、复合材料力学及控制理论等，是新兴的交叉学科和高技术研究课题。形状记忆合金和形状记忆聚合物复合材料属智能材料，形状
40、记忆合金的高驱动力，形状记忆聚合物复合材料的低密度，高应变等特性使得这两种智能材料特别适合用于控制柔性膜结构的形变。此外，采用低密度、低能耗、低成本智能材料控制结构皱曲形变，不仅可以提高结构形面精度、降低结构失效概率，而且满足宇航器结构轻量化要求。SMA 和 SMP 复合材料具有可控的活化温度范围和低成本等突出特性，且处于高弹态的 SMA 和 SMP 复合材料能与柔性膜材保持良好的匹配和整合而不影响结构的性能，是轻质柔性的空间充气膜结构形变控制的良好选择。针对控制机理提出的膜结构皱曲形变控制研究的方案技术路线图如图 2-2 所示。图 2-2 薄膜皱曲形变控制研究的方案技术路线图 Figure
41、2-2 Flowchart of shape control study of membrane wrinkling-11-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 控制方案：结合形状记忆材料中的 SMA 和 SMPC 的形状记忆性能，通过布拉格光纤光栅将 SMA 的温度与形变关系转换为电流与形变的关系，找到 SMA变形的临界电流与恢复形变完成电流。通过所需变形制作 SMPC 驱动元件。利用数字摄影测量技术完成基于两种形状记忆材料的方膜拉皱试验，测量薄膜褶皱幅值的变化。利用 ANSYS 有限元软件进行含有驱动效应的褶皱控制数值分析，计算得到幅值变化量。两者进行比较来验证基于形状记忆材料的薄膜皱曲形变控制
42、研究。2.7 本章小结 薄膜褶皱产生的根本原因是薄膜内部压缩应力的出现，而形状记忆材料中的SMA 和 SMPC 可以在外界条件的改变下恢复初始形状从而对薄膜提供驱动力来达到抵消压缩应力的目的。本章基于薄膜结构皱曲机理和形状记忆材料记忆性能提出了薄膜褶皱的控制机理：利用形状记忆材料在恢复其初始形状时产生的驱动力来抵消导致褶皱产生的压缩应力，并提出了薄膜褶皱控制的方案路线。-12-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3章 薄膜褶皱的控制试验研究 3.1 引言 对于薄膜褶皱的控制试验采用拉伸方膜，驱动元件采用形状记忆材料中的SMA 和 SMPC 制作，通过非接触式的测量手段摄影测量法进行薄膜结构的形状
43、测量。本章采用了 SMA 驱动元件和自行设计的 SMPC 驱动元件及简单的控制系统来实现针对拉伸方膜试件的褶皱控制试验。试验采用方形试件是因为方形试件通过在两个对称的端角施加拉伸载荷会在试件中形成非均匀的拉伸变形，满足褶皱产生的第一个条件，同时方形试件的对角方向有足够的可以向褶皱区流动的材料。3.2 驱动试件采用形状记忆合金的褶皱控制实验 实验的最终目的是为了得到薄膜褶皱控制前后的幅度变化和形状记忆材料的驱动变形与所需的温度（电流）之间的关系。根据实验目的实验分成两个部分。第一个部分是采用光纤布拉格光栅传感器测量系统来得到形状记忆合金的精确变形和电流之间的关系。第二个部分是为了得到形状记忆合金
44、驱动元件对薄膜结构的控制作用所建立的采用的数字摄影测量方法的控制试验。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 光纤传感器是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号的技术。光纤布拉格光栅(FBG)是国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。布拉格光纤光栅传感器是波长编码型传感器，作为准分布型应变传感器时，在对其施加应变时它的中心波长会发生偏移，这种关系不但是一一对应的，而且响应速度很快，这样我们只要通过某种方法跟踪这种波长偏移量，就可以实现对每个布拉格光纤光栅上受到的应变进行实时监测。为了得到SM
45、A在外界温度变化的过程中的形变，得到后续控制试验中所需要的临界电流，采用FBG传感器系统可以精确的测得这些关系和参数。-13-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 3-1 光纤传感系统结构示意图 Figure 3-1 Sketch map of optical fiber sensor system 光纤传感系统的结构示意图如图 3-1 所示，试验布置如图 3-2 所示。设备名称如表 3-2 所示。波长的改变量从光纤光栅解调仪中读取，将 SMA 试件与光纤光栅紧密连接，当 SMA 在电压的作用下发生变形时，解调仪中的波长会发生变化，将不同电压下的波长差代入到公式(3-1)就可以求出当时 SMA
46、的变形情况。将电压关系转化为电流关系，而从电流与形变的关系就可以得到 SMA 的临界变形电流和终止变形电流。具体试验步骤如下所示。表 3-1 形状记忆合金试件的尺寸 Table 3-1 Size of SMA sample 类型 直径 电阻 预置力 预置 变形 最大预置 变形 长度 NiTi 形状 7.70 9.15N0.7mm 19.04mm 238mm 0.25mm记忆合金 其中，最大预置变形是由 SMA 的预置变形不超过总长度的 8%得到的。表 3-2 试验中所用设备名称 Table 3-2 Equipments using in the experiment QW1712-3 型双路直
47、流稳压稳流电源 FBG 光纤光栅传感器 Si425 光纤光栅解调仪 利用 FBG 测量 SMA 形变与电流关系的试验的设置如图 3-2 所示。-14-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 3-2 利用光纤光栅测 SMA 丝的变形 Figure 3-2 Deformation of SMA fiber using fiber optic grating 试验中将 SMA 试件的预置变形设置到 0.7mm，通过 SMA 试件下的刻度尺可以清楚的看到 SMA 试件回复到初始形状的状态。SMA 试件的具体布置及其与光纤光栅的连接如图 3-3 所示。图 3-3 形状记忆合金与光纤光栅的连接 Figure
48、3-3 Connection of SMA and optical fiber grating 在 SMA 试件变形的同时，光纤解调仪可以实时显示 SMA 试件的变形情况，其变形情况是通过波长变化量来表示的，从图 3-4 中可以看到光纤解调仪的工作情况。光纤解调仪的工作原理是：传感系统中的数据采集卡的一个模拟输出端输出锯齿波扫描信号，经过电压放大和功率放大后用来调谐激光输出波长。同时数据采集卡的两个模拟输入端用来采集电信号，再通过驱动电压和波长偏移量的线性关系就能实现光纤布拉格光栅的应变传感器的解调。-15-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 3-4 光纤解调仪的波长示数 Figure 3-4
49、 Wavelength shown in Optical Sensing Interrogator 调节施加在 SMA 试件上的电压，不同电压下波长的示数不同，代表 SMA在不同电压下的变形量不同，试验得到的波长、电压，计算得到的试验波长与初始波长的变化量、SMA 的变形、电流和变形占初始长度的百分比如表 3-3 所示。SMA 的变形由下列公式得到：61000101.173LstrainL=(3-1)其中，是波长变化量，strain为微应变，L为 SMA 形变量，L为 SMA初始长度。通过表格中的数据得到 SMA 试件形变与电流的关系如图 3-5 所示。图 3-5 SMA 丝形变与电流的关系
50、Figure 3-5 Relation of deformation and current of SMA-16-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 3-3 试验所得数据结果 Table 3-3 Data of the experiment 初始波长 1545.96 1545.961545.961545.961545.96 1545.96 试验波长 1546.07 1546.121546.171546.251546.37 1546.40 波长变化量 0.11 0.16 0.21 0.29 0.41 0.44 电压（v)0.99 1.21 1.30 1.40 1.50 1.60 变形(mm)0.