基于形状记忆合金的高弹体复合板驱动研究与设计开题报告

全文总字数：5171字

1. 研究目的与意义（文献综述）

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[1-2]。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，其用途十分广泛[3-5]。

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。软橡胶具有良好的柔性和储能特性，能够适应复杂环境；形状记忆合金可以通过温度激励调节形状和受力响应。对于形状记忆合金增强橡胶的研究，较早可追溯到barrett[6]等人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[7]等提出的螺旋状sma缠绕结构，以及chemisky[8]等提出的蛇形sma编织结构，feng[9]等提出的纤维状sma排布结构，从他们的研究结果来看，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，能够充分发挥两种组分的优良性能，满足不同的使用需求，其研究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[10]）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[11-12]。针对这种可能性，一些学者从不同的途径对基于形状记忆合金的柔性驱动器进行了探索和研究。实验方面，哈佛大学的stirling[13]等人利用形状记忆合金丝弹簧嵌入软材料中，开发了一种柔性的膝关节矫形器，具有很好的灵活性和生物适应性；南航的徐志伟[14]等人利用sma丝，将飞行器后缘翼肋设计为由四段关节组成的柔性结构，实现了后缘的自由转动；西交的李征杰[15]等人从自然界中软体动物的周期性运动得到灵感，设计了形状记忆合金与硅橡胶复合的柔性周期性爬行和抓取装置，相比于传统的刚性执机构，该装置可以转换成对称的形状，以适应不同的工作环境，并能够以更安全的方式与人互动。模拟仿真方面，邱子辉[16]和王志勇等[17]均利用有限元软件，借助热力学分析中的“输入负热应变”法，将温度的连续变化转化为离散型温度对sma/树脂复合材料的影响因素，模拟变形回复情况，并与偏转实验的结果作了对比；李征杰[15]等则采用abaqus有限元软件对所考察的sma/硅橡胶柔性爬行装置进行仿真，通过与实验的相互对比，印证了将形状记忆合金嵌入橡胶载体制作柔性驱动器的前瞻性与趋势性。

2. 研究的基本内容与方案

研究目标：

利用形状记忆合金和硅橡胶，得到一种具有良好弯、扭特性的复合板结构。利用电加热方式，使形状记忆合金丝发生弯扭偏转，实现高弹体复合板的折叠和展开。探讨硅橡胶高弹体中形状记忆合金丝排布对其驱动控制性能的影响，并进行简单优化设计。

研究基本内容：

3. 研究计划与安排

1）第1-3周：学习abaqus软件操作，查阅相关文献，翻译文献，理清思路和方法，完成开题报告。

2）第4-8周：学习基本理论知识，熟悉形状记忆合金相变过程。设计、制定实验方案，实现形状记忆合金/硅橡胶复合板弯曲偏转。

3）第9-11周：利用abaqus建立形状记忆合金和硅橡胶复合板模型，进行数值模拟和仿真分析。

4. 参考文献（12篇以上）

1. jaronie mohd jani, martin leary, aleksandar subic, mark a gibson. a review of shape memory alloy research, applications and opportunities[j]. materials and design, 2014, 56: 1078-1113.

2. daghash s m, ozbulut o e. characterization of superelastic shape memory alloy fiber-reinforced polymer composites under tensile cyclic loading[j]. materials design, 2016, 111: 504-512.

3. khalili s m r, saeedi a. determination of the elastic properties of randomly oriented shape memory alloy (sma) discontinuous wires reinforced epoxy resin[j]. composite structures, 2017, 180: 148-160.

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