形状记忆性能（精选七篇）
形状记忆性能 篇1
关键词：形状记忆,聚氨酯,性能,应用
形状记忆聚氨酯(SMPU)是一种新型的热致形状记忆高分子材料,其原料选择范围广,配方可调控性大,性能选择范围宽,机械性能和形状记忆功能优异,能够满足很多场合的应用要求,具有较高的潜在应用价值。作为一种用途广泛的新型智能材料,SMPU材料己经引起许多国家的相关研究机构和科研人员的极大关注,并有诸多研究成果。首例SMPU由日本Mitsubishi重工业公司研发,用聚四氢呋喃二醇(PTMG),4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和1,4-丁二醇(BDO)3种单体原料首次聚合了SMPU[1,2]。它是一种含有部分结晶态的线性聚合物,通过对原料的选择和原料配比调节Tg,可得到不同响应温度的SMPU。目前国内外有关SMPU的性能研究主要集中在尝试新的合成体系、进一步优化体系中各种原料的配比、与其它物质进行复合等方式来获得具有更好形状记忆功能和力学性能的材料。
1 形状记忆聚氨酯材料的性能研究
1.1 软、硬段种类对SMPU性能的影响
Lin J R等[3,4]以PTMG为软段,MDI和BDO为硬段合成了线型SMPU,研究了硬段含量和软段分子量对其形状记忆行为的影响。发现硬段含量越高,其软段区和硬段区的相容性越好,Tg越高,形状恢复越完全。软段PTMG对聚氨酯的微观形态也有影响,进而影响其形状记忆效果。
陈亚东等[5]以聚己内酯(PCL)为软段,甲苯2,4-二异氰酸酯(TDI)为硬段,通过预聚合和扩链反应制得含结晶软段的SMPU。研究发现,随着硬段含量的增加,SMPU的结晶熔融温度上升,结晶度下降,形状回复率减小,形状固定率始终保持在98%左右;随着PCL相对分子质量的提高,SMPU的结晶熔融温度减小,结晶度增大,回复响应温度逐渐降低。
Kim Byung Kyn等[6]以羟基封端的PCL为软段,MDI、BDO为硬段合成出SMPU。发现当PCL相对分子量为2000时,其回复应力随着软段含量的增加而下降; PCL相对分子量为8000时,回复应力随着软段含量的增加而增加。同时,随着软段长度的增加,SMPU的回复应力增大。
Byoung Chul Chun等[7]通过改变扩链剂,将BDO变为乙二胺(EDA),可以使SMPU体系的玻璃化温度上升至室温。EDA体系与BDO体系相比,在硬度含量较低时,反而具有更好的物理性能。两个体系的形状回复率较为接近,但乙二胺体系具有较好的形状保留率。产生这种差别主要原因在于乙二胺的存在,限制了体系中分子链的蜷曲,从而提高了体系的物理性能及形状固定率。
Tsai Cheng-che等[8]研究人员试图通过氢键的结合来增强形状记忆聚氨酯体系的物理性能。他们合成了两个不同的PU体系:(1)线性PU体系,以(MDI+二甘醇(DEG))为硬段,聚酯多元醇为软段;(2)利用树枝状侧链来替代体系(1)中的DEG,并利用不同的扩链剂进行合成。结果表明,体系中枝状侧链上羟基可以很好的改进软段与硬段的相容性,同时氢键的结合力可以加强硬段的强度。另,体系中枝状侧链可很好的改善形状记忆聚氨酯的回复率和缩短形变回复时间。
对形状记忆聚氨酯而言,在硬段上引入离子基团也能对其形状记忆功能产生影响。Yong Zhu等[9]利用PCL/MDI/BDO/DMPA合成了离子型及非离子型SMPU。根据离子基团的含量及中和程度的不同研究了结构与形状记忆的关系。结果显示,随着DMPA含量的增加,离子型及非离子型PU的100%拉伸应力都有所下降,其中非离子型PU下降的更加明显;离子型PU形状回复率随着DMPA含量的增加明显降低,但对形状固定率几乎没有影响。
如果在SMPU中加入交联剂,也能对整个体系的性能产生影响。Chung Yongchan等[10]通过将丙三醇作为交联剂引入聚氨酯体系中,由于交联剂的加入,使得整个体系中硬段分子链的连接更加紧密,体系的机械性能及形状记忆性能都有明显改善,熔融焓及熔点没有受到影响。
Hu Jinlian等[11]将过量的MDI或丙三醇加入到PCL-4000/DMPA/BDO/MDI中合成了具有化学交联结构的SMPU,发现与线性SMPU相比,交联型SMPU具有更好的热性能、形状记忆性能和机械性能,交联结构的存在降低了软段的结晶度和软段熔点。
嵇建忠等[12]合成了低聚合度( DPn为10~50)的PCL二醇,与MDI及KH550反应后经湿气固化得到凝胶含量为54%~81%的交联密度可控的硅烷化聚己内酯型聚氨酯(SPCLU)。结果表明:当PCL嵌段DPn由10增加到50时,SPCLU结晶度和熔点随之增加,弹性模量及断裂伸长率均提高;SPCLU的交联密度随PCL嵌段DPn的增加而减小;由结晶度较高的嵌段(DPn为30~ 50)组成的SPCLU具有良好的形状记忆性,形状回复率为95%~100%,形状回复温度与PCL结晶区域的熔程相对应。
1.2 复合改性对SMPU性能的影响
SMPU具有许多优异的特性,但多数此类材料形状回复力小、回复速度慢、回复精度低、重复记忆效果不够理想、机械强度和化学耐久型不够好[13]。通过无机填充,在SMPU中加入增强材料,如纤维、颗粒增强材料等,可以在某种程度上克服以上弱点。在SMPU中加入不同含量的玻璃纤维,可以在保持原有材料的形状记忆功能的基础上,提高其拉伸强度、耐疲劳性及抑制其裂缝的生长。实验证明,在玻璃纤维的质量分数为10%~20%时,效果最好[14]。
陈亚东等[15]以聚己内酯/聚氨酯(PUR)共聚材料为基体,采用反应共混法制备了一种超细滑石粉改性PUR形状记忆复合材料,采用超细滑石粉改性PUR形状记忆复合材料,能提高复合体系材料的刚性,在保持原有形状记忆性能基本不变的情况下,解决PUR材料刚性差的弱点,从而满足材料的多种使用要求。
由于纳米无机颗粒具有小尺寸效应,表面与界面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特性,因此将其引入SMPU的合成中,可以提高体系的机械性能及形状回复功能[16,17,18]。Jana R N等[19]发现通过原位聚合,将多壁碳纳米管接枝在聚己内酯上,不但改善了SMPU的机械性能,同时提高了形状记忆性能。
徐龙彬等[20]以形状记忆聚氨酯(SMPU)为基体,正硅酸乙酯(TEOS)为前躯体,固体酸对甲基苯磺酸(PTSA)为催化剂,通过溶胶-凝胶法制备SMPU/SiO2 有机-无机杂化材料。研究显示SiO2的加入,对杂化材料的力学性能和形状记忆性能具有较大的影响,在二氧化硅质量分数为2.7%时,杂化材料在具有良好的拉伸强度和模量的同时,仍然能保持较好的形状回复性能。
Sedat Gunes等[21]以MDI/PCL-4000合成了SMPU,并分别选择了有机粘土,碳纳米管,金刚砂及炭黑作为填充物来增强SMPU。研究结果显示:炭黑在超过一定含量(超过3wt%)后,会破坏材料的形状记忆性能。利用有机粘土填充可以使材料获得更优异的机械性能,同时又不破坏材料中软段的结晶度。碳纳米管及金刚砂的存在减少了软段的结晶度及降低了材料的结晶温度,因此反而降低了材料的形状记忆性能。
朱荟等[22]利用PCL-3000为软段,MDI为硬段,在合成过程中原位加入经KH550表面处理后的TiO2-SiO2 纳米复合颗粒,制备了新型形状记忆聚氨酯/TiO2-SiO2纳米复合颗粒复合材料。发现复合材料拉伸强度较纯SMPU提升90%,形状固定率在90%左右,形状回复率保持在94%以上,纳米颗粒的加入可以降低循环形变后损失的形状回复率。
Xu Bin等[23]研究发现,当用纳米膨润土来对SMPU进行无机填充时,将纳米膨润土的纳米颗粒加热到850℃,会使纳米膨润土颗粒结晶,从而形成层状结构,增加了纳米颗粒在聚合物中的相分离及相互作用。含有30wt%处理过的纳米颗粒显示了与纯PU相同的形状记忆性能。
2 形状记忆聚氨酯材料的应用
2.1 形状记忆聚氨酯材料在纺织领域的应用
形状记忆聚合物可以使防水透湿的织物有一种新的功能,即其透湿性可随外界温度变化而变化。对于SMPU而言,当温度升高至玻璃化温度时,分子微布朗运动骤然加剧,导致自由体积急剧增大,从而使透湿量迅速增加;而在玻璃化温度以下时,分子微布朗运动减慢,分子链间排列紧密,阻止湿气的通过,透湿量减少。将其用于纺织品,不仅能赋予织物防水性,而且随着人体温度的变化,透湿量也随之改变,犹如人体皮肤,达到主动智能型防水透湿的效果。日本三菱重工开发出的Diaplex是一种温度智能型形状记忆聚氨酯薄膜,它不仅防水透气而且其透湿性可以通过体温加以控制,达到调节体温的作用[24]。
Mondal S等[25]将SMPU的相转变温度(软段相的结晶熔融温度)设计在室温范围内,以PCL,PTMG为混合软段合成一系列SMPU。实验发现,SMPU的织布涂层的水蒸汽透过性能对软段相的结晶熔融温度敏感。当实验温度达到SMPU的相转变温度附近时,织布涂层的透湿量(WVP)发生显著改变;且WVP依赖于SMPU的初始结构,SMPU的亲水性越强,WVP越大。
陶旭晨等[26]在以TDI/端羟基聚己二酸丁二醇酯(PBAG)/BDO合成的SMPU中,发现随着TDI含量的增加,SMPU的结晶熔融温度有所降低。当PBAG的 平均分子量为2000,PBGA/TDI/BDO摩尔分数比为1/5/14时,合成的SMPU的记忆温度不但接近人体体温,而且具有优异的透湿性能,其透湿量在记忆温度附近能发生较为明显的变化。
Chen Wei等[27]研究了由MDI/聚乙二醇(PEG)/BDO/EDA体系合成的SMPU的吸水率和形状记忆性能,发现该聚氨酯体系中软硬段没有明显的结晶和相分离,其吸水率随着PEG分子量的增大或交联密度的降低而增大。当软、硬段含量一定时,形状回复时间随着交联密度增大而减小;当交联密度相同时,形状回复时间随着PEG分子量的增大而减小。
Khalid Mahmood Zia等[28]尝试用甲壳素来填充形状记忆聚氨酯材料。发现甲壳素含量,不同的光照时间等因素都能影响材料的SMPU表面性能,进而影响防水透湿性。随着甲壳素的含量的增加,材料的防水透湿性逐渐的增加。
Qinghao Meng等[29]用IPDI/PCL-4000/BDO合成了形状记忆聚氨酯薄膜,加入处理过的95%纯度的碳纳米管进行填充,材料的透湿性测试显示在软段的熔融转变温度以下,随着碳纳米管含量的增加,材料的透湿性随之增加,这是因为碳纳米管含量的增加,一方面限制了软段结构的形成,另一方面大量的碳纳米管聚集在材料的表面形成了水分子通过的“直线通道”。
熊阳等[30]以聚醚多元醇(N210)为软段、TDI)为硬段、DMPA为亲水性扩链剂、合成了环氧树脂(E44)改性水性聚氨酯形状记忆涂层剂。利用二浸/二轧法对织物进行涂饰,并对织物折皱恢复性能进行形状记忆测试。结果表明:改性水性聚氨酯形状记忆涂层剂的硬、软段都以无定型形式存在;经多次皂洗实验表明,所得水性聚氨酯形状记忆涂层剂涂饰在纺织品上经整理后有较好的形状记忆功能和折皱保持能力。
2.2 形状记忆聚氨酯材料在医学上的应用
聚氨酯材料的微相分离结构使其比其他高分子材料具有更好的生物相容性。损耗角正切(tgδ)在形状记忆温度附近有一个损耗峰,该值与人体皮肤的tgδ值非常相近,同时具有优异的耐疲劳性、耐磨性、高弹性和高强度。因此,形状记忆聚氨酯材料被广泛用于生物医学材料领域。
颜泽萱等[31]对形状记忆聚氨酯在变形-复形前后的成骨细胞的相容性进行了考察。发现拉伸-复形过程在形状记忆聚氨酯膜表面形成较规整的微米级的“沟槽-脊”结构。与拉伸-复形前的形状记忆聚氨酯相比,成骨细胞在这种具有微米级“沟槽-脊”结构的表面上可以更好的黏附和增殖,表现出很好生物相容性。
Shadi Hassan Ajili等[32]利用PU/PCL的混合物作为形状记忆的心血管支架,研究表明改变共混物组分的不同配比及结晶条件,可以使PU/PCL配比为(70/30)的材料在人体温度附近有良好的形状记忆性能,并且PU/PCL(70/30)的共混物可以支持细胞的粘附及增殖,具有一定的生物相容性,在心血管植入的材料的应用上有很大的潜力。
Yong Chae Jung等[33]采用两步法,利用MDI/PCL/BD合成了SMPU,并将该种形状记忆材料制得的线材用于牙齿矫正试验。在硬段含量为40%,回复力为70gf的情况下,这种材料可以在50℃下保持1个月。形状回复力虽然在开始的2h内有所下降,但在20天后,仍然能够保持50gf的回复力。这样的优异性能可以让这种材料成为一种非常有潜力的新型正牙医用材料。
Manzoor Ahmad等[34] 利用5种不同的多元醇PCL,PEA,PTMG,PBA及PBA-U(PBA-U与PBA相比有较短的反应时间及较窄的分子量分布)作为软段,MDI及IPDI作为硬段合成了医用形状记忆聚氨酯。研究结果表明,较高的MDI含量的硬段的样品有较高的应变及形状回复率。同时这些材料的转变温度都在30~45℃之间,在医学上有很好的应用前景。
2.3 形状记忆聚氨酯材料在其它方面的应用
Hayashi S等[35]通过对形状记忆聚氨酯与其他热致形状记忆聚合物的热机械性能比较,发现形状记忆聚氨酯在形状记忆温度上下膨胀十分明显,膨胀系数之比高达5/1~10/1,而其他形状记忆聚合物只是在所研究的范围内缓慢膨胀。利用此性质可以作温度敏感器[36]。
用形状记忆聚氨酯树脂配制的涂料,在具有普通涂料的功能同时,还能在受到损伤后,自动除去痕迹,保护制品外观不受影响。Gonzalez-Garcia Y等[37]利用PCL作为软段,聚氨酯作为硬段合成了具有两段结构的接枝形状记忆聚氨酯作为有机涂料,这种涂料表面在受到损伤时,由于涂料的形状记忆功能,可以在温度升到一定的程度时进行物理自愈。
由于SMPU具有良好的生物相容性、透湿性、力学性能,人们将其以智能膜(smart sheet)的形式用于食品的包装和风冷式冰箱的冷藏保鲜。王竹等[38]研究探讨冷藏条件下SMPU 对蔬菜感官和营养品质的影响,发现SMPU膜能改善冷藏条件下蔬菜保水性能和感官品质,但未证明具有减少营养素损失的作用。
SMPU也可用于泡沫材料,2002年美国开发出防水性泡沫形状记忆聚氨酯树脂[39]。Sendijarevic等[40]合成了聚酯型形状记忆聚氨酯泡沫,该泡沫在Tg以下是刚性的,而在Tg以上是弹性体,具有憎水性,可望用于亲水性泡沫不适用的领域。
3 形状记忆聚氨酯材料及研究前景
形状记忆性能 篇2
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[1,2,3]。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。2) 能够较好解释形状记忆过程中应变储存和释放机理的相变学模型。这些本构模型是在简单载荷条件下提出的,不能直接用于复杂应力状态或者复杂结构形状的形状记忆聚合物试件。因此开发适用于有限元分析的形状记忆聚合物本构方程,在节约大量研究时间和成本的同时,还可以获得更加复杂的形状记忆聚合结构的机械性能信息。
文中考虑蠕变残余应变的温度相关性,推导了形状记忆聚合物三维热力学本构方程,并将其修改为适用于有限元分析的增量形式。利用有限元软件,数值模拟了SMPs高温加载、保载降温、保温卸载和升温恢复4个典型过程, 计算相关记忆特性参数,有限元模拟结果与实验、文献的模拟结果吻合良好。
1SMPs热力学本构模型
1.1本构方程推导
式( 1) 是Tobushi等[5]基于单向拉伸提出的形状记忆聚合物材料小变形率相关的一维线性本构方程:
式中: E为弹性模量; μ 为粘性系数; λ 为延迟时间; α 为热膨胀系数; εs为蠕变残余应变。
现将式( 1) 拓展到三维,使之能够描述复杂应力状态下SMPs的热力学性能。
首先,不考虑热膨胀和蠕变残余应变得到的粘弹性本构方程为:
对各向同性的粘弹性材料来说,需要两个跟时间相关的互相独立的系数来描述其力学行为,一个是剪切模量G( t) ,另一个是体积模量K( t) 。假设SMPs为各向同性材料,且体积变形是线弹性的。
式( 3) 中,体积模量; 剪切。按式( 3) 拓展式( 2) ,得:
式( 4) 中各项系数分别为
将式( 4) 改写成增量形式:
再考虑热膨胀影响,得到本构关系的增量形式为:
1.2εs的温度相关性
使用有限元方法进行数值模拟的文献[6,7]均假设蠕变残余应变 εs为常量,将其取为卸载应变的95% 。但是形状记忆行为过程是一个时温相关的动态过程,εs在高温和低温状态下对应不同的值。图1( a) 、图1( b) 分别描述了蠕变应变与温度的关系,以及蠕变残余应变与蠕变应变之间的关系。
如图1( a) 所示,εs在Th> Tg时小,在Tl< Tg时大。 图1( b) 中,蠕变应变 εc和蠕变残余应变 εs之间存在 εs= S( εc- εl) 的关系[8]。其中,εl和S都是温度的函数。因此,需要考虑温度对 εs的影响。
考虑残余应变的温度相关性后,形状记忆聚合物三维热力学本构方程的增量形式如式( 7) 所示:
1.3材料参数
表征SMPs热力学性能的材料参数在玻璃态转化温度Tg附近有极大变化,材料参数可以统一表示为[5]:
其中,Xg表示材料参数X( 弹性模量、粘性系数、延迟时间) 在玻璃态转化温度时的值。相应某材料参数X时,ax是材料参数与温度关系半对数图上每段直线的斜率,是常数。 假设泊松比为与温度无关的常数,取值0. 35。具体参数见表1。
2有限元模拟及分析
2.1数值算例
文中所建立的有限元模型如图2所示。模型尺寸为10 mm × 10 mm × 100 mm,边界条件为: 在面X = 0上约束x方向自由度,在面Y = 0上约束y方向自由度,在面Z = 0上约束z方向自由度。选取单元形状为Hex划分网格,单元类型为C3D8。
数值模拟时假设该形状记忆聚合物初始预应力为0。 具体加载步骤为S1 ~ S4:
S1: 在高温Th= 75 ℃ 时,对Z = 100 mm的平面以1. 25% / min的拉伸应变加载速率分别缓慢加载至最大加载应变( εmax) 5% 、10% 、15% ,此时应力随着应变增加而增加。
S2: 保持 εmax不变,以 - 3 ℃ /min的速率降温至35 ℃ ,完成SMPs保载降温过程。应力随温度的降低先缓慢增大,到温度降至Tg( 55 ℃ ) 附近又大幅度增加。
S3: 环境温度不变,卸去外载荷。至此,材料的临时形状固定。
S4: 无外载荷状态下,以 + 3 ℃ / min的升温速率升温到75 ℃ ,材料基本回复初始形状。
在图3中,运用文中建立的三维热力学本构方程数值模拟了整个形状记忆过程中应力 - 应变 - 温度的关系,与文献的模拟曲线相比较更符合材料的记忆特性,与Tobushi的实验结果也很接近。
2.2结果验证
图4是最大加载应变为10% 时,形状记忆聚合物热力循环4个过程中应力应变的关系曲线,并与文献的数值模拟结果和实验结果进行了对比。从中可以看出,应力应变关系的数值模拟结果比文献模拟与实验结果更接近,能更好地预报形状记忆聚合物的在形状记忆过程中的热力学行为。因此,温度对蠕变残余应变 εs的影响是不可以简单忽略的。
文中的数值模拟结果与实验结果存在一定的误差是因为有限元模型是理想的单向拉伸状态,同时也与前文中本构推导过程中对材料参数的理想化假设有关。
2.3材料加载速率的相关性
形状记忆过程是一个与时间和温度都相关的过程,加载速率对记忆效果的影响是形状记忆聚合物性能研究中的重要部分。
图5为温度为75 ℃ 时的高温变形过程中,使用文中建立的SMPs修正过的本构关系所描述的不同加载速率下的应力应变曲线。在高温加载过程中,应力随着应变率的增加而增大,因此SMPs表现为明显的应变率相关性。
图6是不同冷却速率下的应力 - 温度曲线,可以看出,冷却速率越大对应的最终应力越小,但是在降温至玻璃态转化温度前,降温速度对应力变化的影响不大。
在S4( 升温恢复形状过程) 中,形变回复率是衡量形状记忆聚合物材料记忆特性优劣的一个重要标准,其定义式为:
式中: εmax、εfinal和 ε0分别表示最大加载应变、最终残余应变和预应变。预应变为0。
升温恢复过程中,应变与加热速率相关。如图7所示,加热速率越大,形状记忆聚合物的残余应变越大,回复率越低。
以 + 3 ℃ /min的加热速度将温度提高到设定高温Th= 75 ℃ 时,根据式( 9) 计算得Rr为62. 0% ; 继续升温至90 ℃ 结果显示形状记忆聚合物基本能回复到初始形状, 此时的Rr为98. 46% 。Rr的值与所选模型的外载速率相关,研究数值模拟结果可知: 过程4中升温速度越快,在给定高温75 ℃ 时的形变回复率越低; 但若温度继续提高到95 ℃ ,Rr会趋向于一个稳定的值。这是因为热应变恢复在加热过程中有延迟,并且升温速率越大,高分子可逆相的微布朗运动越不充分,延迟也就越明显。
3结语
基于粘弹性理论模型推导了描述形状记忆聚合物的三维热力学本构方程,并将其修改为适用于有限元分析的增量形式。考虑蠕变残余应变的温度相关性, 基于有限元软件ABAQUS,开发了更符合材料属性的材料子程序UMAT,对形状记忆聚合物记忆过程进行了数值模拟。
1) 利用文中建立的本构关系进行有限元模拟结果与实验数据 吻合良好,验证了建 立的本构 方程的正 确性。
2) 研究结果表明: 在高温加载过程中,应变率越大对应的应力也越大,SMPs的热力学性能表现出明显的应变率相关性。冷却速率越大产生的应力反而小,显示了SMPs冷却过程的降温率相关性。形变回复率随加热速率增大而降低,随升温温度的[8]上升而提高。
形状记忆性能 篇3
索网结构由于其具有质量小、强度高、收缩比大、成形多样性等显著优点而开始被应用于太空可展开天线领域[1]。本文所研究的可展开天线主要由反射面索网系统、周边桁架及中央圆筒三部分组成。在运往太空之前, 天线被折叠收拢于运载火箭的整流罩内, 当到达太空预定位置时, 天线再由收拢状态展开至工作形态。其中, 展开天线的索网结构主要用于形成天线的大跨度反射面, 要经历由收拢到展开这一特殊过程, 并且对其关心的主要问题是如何减小反射面形状与理想形状之间的误差值来提高天线的工作性能。以往对于展开天线索网结构的优化研究工作主要是通过寻找一组索单元预应力, 使天线的表面精度和动力性能达到最佳, 或通过对索单元长度的网面优化调整来提高天线的表面精度[2]。可是这些优化工作都是在天线已经展开的状态下进行的, 而没有考虑展开天线的特殊过程和工作环境。首先, 天线要经历由收拢到展开的过程, 那么仅在展开状态下优化得到的索单元预应力分布并不能保证天线易于展开, 而天线只有在顺利展开的前提下其余的工作才有意义, 因此有必要研究什么样的索单元预应力分布既能满足精度需要又能保证天线易于展开。第二, 在太空环境下, 由于天线初级电源不足, 无法像在地面上那样有足够的能量用于网面调整, 因此需要通过优化计算使得索网结构易于在较小的调整力作用下实现网面调整。第三, 要使天线索网结构更易于展开和调整, 采用改变索单元预应力来进行优化的传统方法难以奏效, 而通过优化索网结构的形状或组网形式可以有效实现这一目标。
基于上述考虑, 本文研究了通过改变索网形状对展开天线索网结构的展开性能和调控性能进行优化设计的方法, 并给出了相应的多目标优化数学模型。由于这一模型具有复杂非线性特征[3], 故采用序列二次规划法对其进行优化求解, 并得到了不同权重值对应的优化结果。在具体工程实践中可根据设计要求选取合适的权重配比来实现天线整体性能的提高。
1 优化数学模型的建立
1.1目标函数
展开天线整体结构形式如图1所示。本文仅以天线中的单片索网为研究对象来说明, 其结构由上弦索、下弦索和中间纵向索组成 (图2) , 图中数字1～36为节点号。在任意节点i处, 若以Fxi和Fyi代表单元水平和竖直方向分力, 则结构静力平衡条件为
如图2所示, 节点i两端的上弦索单元K1、K2与水平方向所成夹角θ1、θ2均非常小, 因此它们在y方向的分力也非常小, 从而导致在平衡状态时纵向索单元K3中的张力很小, 即当索网结构处于展开平衡态时, 纵向索单元内的张力将远远小于上弦索和下弦索单元内的张力。因此, 为了使纵向索由收拢状态展开就需要对上弦索、下弦索施加较大的张力。这种单元张力分布不均的情况将使展开天线在太空环境较小的张力条件下难以顺利展开。为解决这一问题, 本文设计了一个平均应力比函数
式中, n为索网结构中的索单元个数;σi为第i个索单元内的应力;σmin为索网结构中最小的索单元应力。
当各索单元面积相同时, 索网结构的平均应力比越小则表示索网越容易展开, 因而本文将索网结构的平均应力比最小作为优化目标之一。
太空初级电源不足这一特殊情况除了不能为天线展开提供较大的张拉力之外, 同样也无法为天线展开后的网面调整工作提供充足的能量, 因此为降低网面调整的难度, 希望在较小的调整力作用下使索网结构有一个相对较大的变形量, 从而增加索网结构的可调控性。对于这一同时包含应力应变关系的问题本文选取结构的应变能函数E来表征[4]:
式中, U为结构位移矩阵;K为结构刚度矩阵;Ti为第i个索单元内的张力;Δi为第i个索单元的伸长量。
索网结构的应变能越大时, 其刚度越小, 越易于对其调控, 因此本文将索网结构的应变能最大作为优化的另一个目标。
1.2约束条件
太空可展开天线工作性能的高低主要取决于其索网反射面精度的大小[5], 故必需严格控制这项指标以确保天线的正常工作, 因此本文将可以反映索网结构在展开平衡态时实际上弦网面形状与理想网面形状偏差程度的表面节点均方根误差值作为约束条件之一。此外展开天线在太空展开和工作时都会遇到振动的情况, 为了避免振动对天线结构造成破坏, 必需使结构的固有频率远离激励频率, 因此, 把索网结构的基频作为另一个约束条件。
1.3设计变量
由于优化目标与索网结构形式密切相关, 故以索单元截面积或预应力作为优化设计变量无法有效的实现优化需求, 因此, 要通过改变索网结构形状的方法来进行优化。索网结构中的上弦节点是采样节点, 用于表示表面精度均方根误差, 其位置不能改变, 所以优化时选取下弦节点的位置作为设计变量。如图2所示, 索网上弦节点在水平方向有相同的间距u, 当纵向索均设置为向右侧旋转倾斜时, 索网结构第i个下弦节点在水平方向上的坐标值为
xi= (i-1) u+piu 0≤pi≤1 (3)
式中, u为上弦节点在水平方向的等距;pi为优化设计变量, 表示第i个下弦节点向左侧偏移的程度。
通过改变每个下弦节点的pi值就可以达到改变索网结构形状来进行优化的目的。
1.4优化数学模型
综合上述各项, 可以建立如下优化模型:
求p1, p2, …, p16, 使
式中, D为表面精度, 即上弦索网的表面均方根误差值;δi为变形后第i个上弦索网采样节点位置与理想位置的坐标偏差值;m为采样节点数, 这里等于上弦节点数;[D]为表面精度许用值;ω为索网结构的基频;[ω]为基频许用值。
2 目标函数的处理
由于平均应力比
其中, c1、c2为由多次计算得来的经验值, c1=100, c2=0.08, 这样的处理使得f1与f2在设计变量取值范围内能够得到较为接近的值。
对于本文的多目标优化问题, 这里采用加权系数法[6]将每个目标函数值乘以相应的权重, 而后累加合为一个目标, 再使用单目标优化方法对其进行求解:
f=w1f1+w2f2 (5)
其中, w1≥0, w2≥0, 且有w1+w2=1。前面对两个优化目标的处理可以使加权系数在 (0, 1) 范围内较为均匀的反应不同目标在总目标中的比重, 从而便于科学的选取加权系数值。
3 算例分析
以图2所示的索网结构为例进行优化计算, 其中上弦索、下弦索分别有18个节点, 17个索单元, 纵向索有18个索单元, 索网结构共有50个索单元。索网横向总长度为8.3m, 中间均分为17段, 纵向总长度为2.9789m, 节点坐标由抛物线方程:
z=0.019 230 5x2+0.100 05
确定, 两端的4个节点没有x、y、z三个方向的位移。索网结构采用芳纶纤维材料制成, 横截面为圆形, 弹性模量E=130GPa, 材料密度ρ=1.44×103kg/m3。由于太空条件下初级电源不足而不能为索网提供较大的预应力支持, 故计算时索单元内的预应力值均取为较小值50N。优化时的约束条件取表面精度小于1mm, 结构基频大于4.3Hz。这里以16个下弦索节点的位置偏移变量pi为优化设计变量, 优化计算时初值取为p1-p4=0.2, p5-p14=0.8, p15-p16=0.2, 并采用序列二次规划法对优化模型进行求解。
首先分别取w1=1和w1=0来进行优化, 即分别以平均应力比
在采用加权系数法进行多目标优化计算时, 可以根据天线实际工作性能需求将计算得到的优化结果与取w1=1和w1=0时得到的优化结果相比较来调整加权系数值以改变不同优化目标在总目标中的比重, 从而得到优化的满意解。本文以w1=0.4, w2=0.6时的优化计算为例来观察优化迭代过程中不同优化目标的变化情况。此时, 得到的索网结构平均应力比最优值为36.40, 总应变能最优值为0.1021, 索网结构形式如图4所示, 具体优化目标迭代过程如图5所示。当取得最优值时索网结构中只有左侧的几个纵向索偏斜程度较大, 由此可知对于平均应力比而言, 左侧纵向索的偏移量对其影响较大。
4 结论
(1) 建立了可展开天线索网结构的多目标优化模型, 并应用序列二次规划法对其求解。在对目标函数进行规一化处理并将多目标问题用加权系数法转化为单目标问题后, 通过算例计算, 得到了不同权重值时的不同优化结果, 反映了不同目标函数倾向程度的差异对优化计算结果的影响, 结论对工程实践具有一定的指导意义。
(2) 由于太空中初级电源不足, 仅靠改变索单元预应力的方法无法有效提高天线的展开性能和调控性能, 因此, 在一定张力下通过优化索网结构形状来使天线更易于展开和调整, 是适用于太空环境下较为合理的方法。
参考文献
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[3]Karoumi R.Some Modeling Aspects in NonlinearFinite Element Analysis of Cable Supported Bridges[J].Computers&Structures, 2000, 71 (4) :41-50.
[4]张宪民.柔顺机构拓扑优化设计[J].机械工程学报, 2003, 39 (11) :47-51.
[5]罗鹰, 段宝岩, 杨东武, 等.大型星载展开天线动力优化设计[J].空间科学学报, 2004, 24 (3) :203-210.
形状记忆性能 篇4
随着我国经济的不断发展, 公铁两用车作为经济型牵引动力, 愈来愈受到广大铁路用户的关注。目前, 国内生产的公铁车普遍存在着导向装置结构不合理, 导向轮与胶轮分配不合理的情况, 行驶中经常出现脱轨事故。因此, 车轮的踏面形状很重要。
1公铁车的主要特点
公铁两用车是一个复杂的动力学系统, 既可以在公路上也可以在铁路上行驶, 运行速度区间为20～60 km/h。该车以公路车辆主要结构为基础, 有前后两组胶轮。用于公路行走时将导向装置升起, 前后两组胶轮支撑车辆, 即普通公路车辆。在铁路上行驶时将前、后导向装置放在钢轨上, 抬起前面的胶轮, 由后面的胶轮驱动, 前、后导向装置起导向作用。
该车主要特点之一是导向轮采用独立旋转车轮, 由于独立车轮左右两轮的转速可以不同, 因此不产生纵向蠕滑力, 在直道上不会发生蛇行运动。当由于轨道横向不平顺等原因使车轮发生横移时, 不能自动对中。过曲线时, 不存在左右蠕滑力形成的力偶的导向作用, 完全依靠轮缘导向, 轮缘磨耗严重。优化踏面形状可以减轻上述缺点。研究表明:独立车轮必须采用磨耗型踏面。基于此, 本文以某型公铁车为例, 利用SIMPACK多体系统动力学软件, 建立公铁两用车动力学模型。设计一新踏面形状DLM, 分析研究日本的佐藤荣作先生设计的第1次独立车轮踏面JXDL1和DLM对该车动力学性能的影响。
2动力学模型及性能分析
2.1 动力学模型
该模型由车架、前导向装置、后导向装置、胶轮驱动装置组成, 它们通过悬挂系统形成一个多自由度刚体系统, 利用SIMPACK软件建立如图1所示的动力学仿真模型。
2.2 运行平稳性分析
平稳性分析计算主要是计算车辆系统以20 km/h速度运行时车架的横向和垂向响应, 线路激扰采用美国Ⅴ级线路谱, 如图2 (a) 、 (b) 所示。按有关标准要求, 在前导向装置、车架中心和后导向装置处各取一测量点, 在SIMPACK中对应输出测点的横向和垂向振动加速度响应, 运用ISO/Sperling法计算出垂向和横向平稳性指标值, 具体结果见表1。
(a) 垂向不平顺 (b) 横向不平顺
对以上分析结果的评定主要参考了国家标准GB5599-85“铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范”来执行, 其评定等级见表2, 表中垂向和横向采用相同的评定等级。
分析可知:该车在设计速度20 km/h运行时, 无论是采用DLM 踏面还是采用JXDL1踏面, 测试点1、2垂向平稳性达到优良等级, 测试点3垂向平稳性达到合格等级。测试点1、2、3横向平稳性都达到优等级, 满足运行要求。
2.3 曲线通过性能分析
曲线通过性能的好坏直接影响到车辆的行车安全, 用于评价它的指标也很多, 本文只考察脱轨系数、轮重减载率和摩擦功率, 通过计算得出这些动力学指标后, 根据相关规范评价。引用规范及评定如下:
脱轨系数按照TB/T2360—93《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》来评定, 轮重减载率根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》 (GB5599—85) 中的规定来评定, 其评定标准见表3。
具体的曲线设置为:50 m直线+80 m缓和曲线+740 m圆曲线+80 m缓和曲线+50 m直线, 曲线半径1 000 m, 不设外轨超高, 运行速度20 km/h, 线路激扰采用美国Ⅴ级线路谱。表4列出了部分计算结果。
由上表结果可知:采用DLM 踏面和采用JXDL1踏面时, 导向轮对的脱轨系数和轮重减载率均满足相关的规范、标准。
摩擦功率是车轮受到的横向摩擦力与其横向速度的乘积, 摩擦功率越大则轮轨磨耗越严重, 系统所消耗的驱动能量越多, 噪声也就越大, 因此摩擦功率是独立轮对车辆必须考查的一个动力学指标。图3 (a) 、 (b) 分别表示采用DLM踏面和JXDL1踏面的摩擦功率。由图3可知, 采用两种踏面时的摩擦功率值都不大, 大约300 N·m/s。
(a) 采用DLM踏面时的摩擦功率 (b) 采用JXDL1踏面时的摩擦功率
3结论
(1) 两种踏面的公铁车辆以20
km/h在有轨道激励时运行, 其垂向和横向平稳性指标都能达到优良等级, 满足要求。
(2) 两种踏面的公铁车辆以20
形状记忆性能 篇5
关键词：木塑地板,截面形状,木粉含量,抗弯性能
木塑复合材料(WPC)是一种新型的环保材料,具有耐水、耐湿、可降解等优势,主要用作室外地板、栏杆等用途[1]。 弯曲强度和弯曲模量是衡量这类材料性能的关键指标。商业化的WPC地板多为异型材,截面形状主要有实心、中空、开口3种形式。国内关于木塑地板截面特征和弯曲性能的研究很少,朱宇宏等[2,3]分析了几种截面的惯性矩计算模型,并研究了跨距对木塑地板弯曲性能的影响。徐朝阳等[4]对市场上常用的4种不同尺寸规格的木塑地板做了分析研究,结果表明木塑复合材料自身的弯曲强度和抗弯弹性模量均小于型材的,说明结构设计很重要,但从截面设计、材料配方的角度对木塑地板弯曲性能进行研究还有待深入。
为此,本研究设计了5种具有代表性的型材截面形式,制作了不同木粉含量的WPC地板,分析其弯曲性能与截面的关系,从产品性能和材料成本方面综合考虑,为实际生产确定性价比较高的产品方案。
1 试 验
1.1 主要原材料
高密度聚乙烯(HDPE),5000S,熔融指数为0.8~1.1 g/10 min,中国石油大庆石化公司生产;杨木粉,30~80目,自制;马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE),CMG9804,接枝率为0.9%,上海日之升新技术发展有限公司生产;石蜡,上海华灵康复器械厂生产;聚乙烯蜡(PE蜡),山东齐鲁石化公司生产;碳酸钙,海城市八里镇挺进高档碳酸钙厂生产;硬脂酸,马来西亚天然油脂化学品私人有限公司生产。
1.2 木塑材料的制备
先将称好的木粉倒入SRL-Z混合机组(张家港市灵杰塑料机械厂)的高速混合机中,高速搅拌20~25 min,使木粉的含水率降至5%左右,然后依次加入HDPE和助剂,继续混合10 min。将混合好的物料倒入BHMSY-2双螺杆木塑生产机组(南京塞旺科技发展有限公司)的喂料筒中,物料在双螺杆挤出机中混炼塑化后进入单螺杆挤出机,进一步熔融后经挤出成不同截面形状的板材,复合材料的配方见表1,挤出工艺参数见表2,木塑地板的截面形状和尺寸见图1。
质量份
1.3 弯曲性能测试
1.3.1 试件测试
采用RGT-20A微机控制电子万能试验机(深圳瑞格尔仪器有限公司),按ASTM D790—2007[5]测试抗弯性能,试件尺寸为80 mm×13 mm×4 mm,每组10个试件。根据标准规定试验跨距与厚度比值为16∶1,加载速度按式(1)计算,此时跨距为64 mm,加载速度R为1.7 mm/s。
式中:Z——外表面形变速率,取0.01 s-1;
h———试样厚度,mm;
L——支撑跨距,mm(L=16h)。
1.3.2 型材测试
型材测试采用中点加载方式,试件长度为450 mm,每组5个试件。使用RGT-20A微机控制电子万能试验机测试抗弯性能,参考ASTM D790—2007确定跨距与加载速度,由于试件厚度为25 mm且Z值相同,此时跨距为400 mm,加载速度为10.7 mm/s。
复合材料地板在弯曲性能方面符合简支梁弯曲,根据材料力学理论,木塑地板的弯曲强度 σ 和抗弯弹性模量E分别按式(2)、式(3)计算:
式中:Mmax———中间加载简支梁的最大弯矩,N·mm;
y———材料表面离中性轴的距离,mm;
Iz———惯性矩,mm4;
△P———弹性范围内的载荷变化量,N;
△f———弹性范围内的挠度变化量,mm。
5种不同截面的木塑地板如图1所示。
2 结果与分析
2.1 不同截面形式的分析
在型材的结构设计中,需要了解材料在外力作用下产生的应力和变形,并对材料构件的强度、刚度、稳定性等力学性质进行计算,而型材的截面设计尺寸为上述计算提供了非常重要的参数,这些几何参数主要包括面积、形心、惯性矩等。利用Auto CAD软件面域特征的查询功能,计算本研究中各种截面的几何参数[6,7](见表3)。
由表3可知,实心型板的截面积最大,所消耗的材料最多。由于实心型板和空心型板均为近似上下对称结构,所以它们的形心位置也较对称,偏移较小;而开口型板下半部分有缺口,导致中性轴位置上移,形心向上偏移较大。
抗弯截面系数综合反映了横截面形状和尺寸对弯曲正应力的影响,可根据式(4)计算。从强度方面考虑,应采用最小的截面积得到最大的抗弯截面系数[8],通常采用比值Wz/A1.5衡量板材截面形状的合理性[9]。从表3可以看出,中空型板材的Wz/A1.5最大,说明该形状在满足抗弯强度要求的同时也节省了材料用量,并且2种中空型板材的各项截面几何参数均非常相近。
式中:Wz———型材的抗弯截面系数,mm3;
ymax——中性轴到临界线的距离,mm。
2.2 不同截面形状木塑复合地板的弯曲性能
表4为不同木粉含量的5种不同截面形状木塑地板的弯曲性能参数。
注:σ拉 max为木塑地板下表面的最大拉应力;σ压 max为木塑地板 上表面的最大压应力。
从表4可以看出,5种不同截面形状地板的最大破坏载荷、地板断裂时中跨处最大变形和最大应变的变化顺序均相同,从大到小依次为实心型>矩形中空型>圆形中空型>圆形开口型>矩形开口型。实心型板能承受的最大载荷比中空型板略高,无明显优势;是矩形开口型的2.16~2.30倍,是圆形开口型的1.76~1.87倍。但实心型板的最大变形和最大应变却处于不利情况,约为中空型板的1.3倍,是开口型板的1.6倍,容易产生变形。木塑地板受外力作用时,会在板材横截面上产生一个应力,此时板材上部受压应力,下部受拉应力,应力在中性轴处为0,并从中性轴向板的外表面呈线性增加,由此导致板材弯曲变形。相对中性轴对称的材料其最大弯曲压应力等于最大弯曲拉应力。对于实心型板和2种中空型板,虽然由于上表面的凹槽和倒角导致中性轴向下偏移,使压应力略大于拉应力,但中性轴偏移幅度较小,可以近似看作中性轴的对称结构。而开口型板下半部分缺失较多,中性轴向上偏移幅度较大,致使最大拉应力、压应力相差较大,矩形开口型板的最大拉应力是最大压应力的1.71倍;圆形开口板的最大拉应力是最大压应力的1.50倍。最大拉应力的大小顺序依次为:圆形开口型板>矩形开口型板>实心型板>矩形中空型板≈圆形中空型板;最大压应力的大小顺序为:实心型板>矩形中空型板≈圆形中空型板>圆形开口型板>矩形开口型板。
从总体上看,木塑地板在受压力作用时承受最大载荷顺序为:实心型>中空型>开口型。5种不同截面形状木塑地板的抗弯弹性模量的大小顺序为:矩形开口型板≈圆形开口型板>圆形中空型板>矩形中空型板>实心型板。
刚度是衡量材料抵抗变形能力的指标,由式(3)可推出型材刚度EIz的计算式(5):
由式(5)可知,其与惯性矩和抗弯弹性模量均成正比。对于型材来说,抗弯弹性模量高的材料其制品刚度不一定也高, 还要考虑制品的截面惯性矩。因此,要增大木塑复合地板的刚度,可以通过配方的改进处理提高弯曲弹性模量,如提高木粉掺量,添加改性剂等,也可以通过设计合理的截面以增大惯性矩。由表4可见,5种不同截面形状木塑复合地板刚度大小的顺序为:圆形中空型板>矩形中空型板>实心型板>圆形开口型板>矩形开口型板,其中圆形中空截面地板具有较高的抗弯曲变形性能。
2.3 不同木粉含量木塑复合地板的弯曲性能
从表4还可以看出,随着木粉含量的增加,5种不同截面形状的木塑地板的最大载荷、最大弯曲应力、抗弯弹性模量和刚度均呈增大的趋势,而最大变形呈降低趋势。其中,木粉含量从50%增加到70%,实心型板的抗弯弹性模量和刚度增幅为71.51%,其它4种地板的增幅为40%~46%;实心型板的最大变形和最大应变下降幅度为49.11%,圆形中空型板的降幅为33.92%,其它3种板的降幅为40%~42%。实心型板的抗弯性能变化量最大,容易受木粉含量增减的影响。
表5为不同木粉含量木塑复合材料的弯曲性能参数。
综合对比表4与表5可以发现,5种不同截面形状型材的最大载荷和抗弯弹性模量与木粉含量存在对应关系,即木粉的增加使体系的刚性增强,这也是木塑地板随木粉增加而断裂时的最大变形降低的原因。
2.4 不同截面、木粉含量木塑复合地板原料成本分析
以木塑复合材料制成的地板,不仅要满足使用性能要求,还要严格控制成本来提高其市场竞争力。为此,本研究计算了不同截面地板型材的原料成本。首先根据材料的截面面积(见表3)与材料的密度(见表5)算出木塑复合地板的米重 (kg/m),再根据材料配方(见表2)和原料的单价(见表6),计算出不同截面、木粉含量的木塑复合地板的原料成本,如表7所示。
由于木粉价格低廉,因此木粉含量的增加必然会降低板材原料成本。实心板用料最多,因此成本也最高。5种截面型材中,矩形开口型板的成本最低。从截面系数、强度、价格方面综合考虑(参考表3、表4、表7),认为截面相同时,70%木粉含量的地板性价比较高;木粉含量相同的情况下,中空型截面地板的性价比较高。
3 结 语
(1)开口型木塑复合地板上下结构不对称,形心向上偏移较大,导致抗弯截面系数减小,大约是同等横截面积的中空型材的43%。从抗弯强度方面考虑,中空型截面设计最合理。
(2)通过刚度分析可知,5种不同截面形状的木塑地板抵抗变形能力的优劣顺序为:圆形中空型板>矩形中空型板>实心型板>圆形开口型板>矩形开口型板。中空型板的抗弯性能优于其它截面形状。
(3)随着木粉含量增加,木塑地板的破坏载荷、最大弯曲应力、弹性模量以及刚度呈增大趋势,而地板断裂时中跨处的最大变形呈下降趋势。
形状记忆性能 篇6
1水轮机形态的发展
1.1水轮机叶片的发展历程
随着社会科技水平的进一步发展, 在水轮机的内部设计的技术上逐渐成熟, 不管是对于水轮机内部的运动特征还是叶片的形态和位置都有啦更加清晰的认识并做出一些技术上的改良[2]。上个世纪六十年代, 最早出现的水轮机叶片形态为扇形, 然后再不断的发展过程中不断的进行优化和改良, 现在发展成为一个空间变化形态, 这种形态会更加适合水轮机的运行, 提高运行的性能和效率。
1.2内部机构的计算
将一个轴流转桨式水轮机作为我们研究的主体, 对其内部的转轮, 活叶以及内部的一些数据进行计算, 通过得出的数值, 了解到每个部件在水轮机的运作中所产生的影响大小。
2数据计算和条件界定的方式
2.1数据的计算方式
在一般的水轮机的运作过程中, 其内部是以水的形态按照繁杂的三维形态进行流动。这种流动的方式基本上是一种不能够进行压缩的流动方式。在接下来的研究中, 要采取四维网格的计算形式和能量的守恒定律来对轴流式水轮机进行精确地计算, 得出压强, 密度等精确的数值便于对水轮机运行的性能作出准确的分析和判断。
2.2条件的界定方式
假设将进口的蜗壳做为数据计算的起点, 尾水管的流出口作为终点的话, 可以的出以下结论作为史论系运作条件的界定[3]。 在起点位置的流量稳定的情况下, 假设经过蜗壳的速度和方向为垂直形态进入, 可以得出在终点处的相应压力。如果假设经过水轮机内部的表面不出现偏移的时候就可以按照标准的函数公式进行计算。
3分析研究的影响
3.1对压力分布位置的影响
首先, 要对叶片的压力状况的分布做一个详细的计算。因为通过对于叶片表面压力状况的分析就能直接了解到水轮机各方面性能上的具体情况。在一个标准的轴流转桨式的水轮机内部, 空化的位置基本上都是分散在叶片的边缘处和正反面前部等。并且, 在叶片进水边缘不同的情况下, 叶片上压力的分布也是各不相同的。在进水边缘接近转轮运行的工作区域时, 叶片的反面会处于低压区, 这个区域就容易出现空化的情况, 容易造成该位置上的腐蚀, 降低使用时间。如果将进水的边缘向上移动就可以有效的减少叶片反面的压力, 并且可以有效的降低压力值减少摩擦, 大大改善了轮转机的性能。
3.2对水流特征的影响
在水轮机的内部结构中, 由于在水流进入的时候不会受到任何作用力的影响, 可以依据速度均衡定律对水流的情况进行计算。 从中我们可以发现, 当进水位置的水流量增加的时候, 叶片边缘的坡度增加。水流量的位置越高的时候, 环绕水流量反而越小。 如果将叶片的进水位置向上移动, 那么水流量就会随之提高, 水轮机的运转性能也会同时提高。由此得出, 水轮机的叶片形态不断的改善是可以有效的减少机器的损耗, 优化水轮机的使用性能。 水轮机叶片分布的位置不同, 也会对会水轮机运行的性能产生不同的影响。位置越高的时候, 越有助于改善其运作性能。
3.3对流量分布的影响
水轮机的叶片形态不仅会对水轮机的运行性能产生影响, 也会对其流量的分布产生影响[4]。当史论系内部的流量都集中在轮桨运行区域的时候, 就会造成通道内的流量分布不够均衡。如果将进水边缘的位置向下面移动的时候, 就会发现通道内的流量开始变得均衡和顺畅。
4结论
综上所述, 本文主要针对于轴流式水轮机叶片设计的形状和分布的位置情况做出一系列的实验, 通过反馈的数据和结果, 寻找出不同的叶片形状和分布情况对于水轮机运作的性能产生的不同变化。根据数据反馈的结果, 寻找出不同的形状和情况分布会对水轮机的运行产生何种效果。在以上的研究和论证中得出, 水轮机叶片的形状呈自由的空间形态, 且进水口的位置边缘靠近上方时, 更加有利于水轮机各方面性能的最佳运行, 希望可以对未来水轮机的优化研究上提供依据。
参考文献
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形状记忆性能 篇7
最常见的形状记忆高分子材料(SMP)一般为热响应型, 通常以高分子材料的结晶-熔融或玻璃态-高弹态作为可逆转变,其形变和回复温度分别对应于熔点(Tm)或玻璃化转变温度(Tg)。在SMP的实际应用中,SMP的形变回复往往要求在某一特定的时间进行,而不是在形变 固定后即 刻回复使 用,因此研究储存时间对SMP回复影响具有重要的理论和实际意义。储存时间对于形状记忆性能的影响近期才引起研究者的注意,且目前大多是以“玻璃-高弹态”为可逆转变的 (简称Tg型)SMP为研究对象。Ortega等[5]报道无定形甲基丙烯酸酯形变后,经过1年的储存,其起始回复温度有明显的提高,认为是由 于材料的 物理老化 引起的,Nguyen等[6,7]通过粘弹性模型解释了这种回复行为。以“结晶-熔融” 为可逆转变的SMP(简称Tm型)有很多种,在SMP中占很大比例,然而研究存储时间对于Tm型SMP性能的影响还鲜有报道。另一方面,近年来,对磁[8,9]、光[10]、电[8]、水[11]等外场可响应的SMP也相继被报道。其中将聚氨酯和Fe3O4纳米粒子结合[12]的磁场响应的SMP,可在非接触[13]的外场作用下发生形状回复,这种方式不会造 成周围环 境的温度 升高,用于生物医药领域,可有效避免周围组织过热给生物体带来的损伤。本研究通过有机硅改性的聚氨酯与磁性纳米粒子复合,制备了Tm型热场、磁场都可响应的SMP/Fe3O4纳米复合材料,研究了形变后不同存储时间对其在热场和磁场中形状回复行为的影响,并对其机理进行了探讨。
1实验
1.1实验原料
聚己内酯(PCL),分子量为2000,Aldrich;4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),Alfa Aesar;γ-氨丙基三乙氧基硅烷 (APS),湖北武大有机硅新材料股份有限公司;1,4-二氧六环,北京化工厂,以上试剂均为分析纯。Fe3O4纳米粒子(粒子粒径为10~20nm),由武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室提供。
1.2SMP/Fe3O4纳米复合材料的合成
采用本课题组先前所报道的方法制备SMP/Fe3O4纳米复合材料[14]。其中Fe3O4的质量分数为5%。
1.3仪器
DSC的测量采用DSC-7差示扫描热量仪(美国PerkinElmer),扫描温度范围为0~100 ℃,升温速率为10 ℃/min。 DMA的测量采用Q800动态热力学分析仪(TA公司),频率为1Hz,气氛为空气,升温速率为2℃/min,测试温度范围为0~100℃。采用Rigaku D/max-2500X射线衍射仪(日本理学公司)进行XRD分析。交变磁场发生器为东莞市震森实业有限公司CW-MJH10,磁场由感应线圈产生,频率为149 kHz,磁感应强度为12.1kA/m。
1.4形状记忆测试
DMA拉伸-回复测试:(1)将样品在未加载应力之前加热到60 ℃,然后以0.05 MPa/min的速度加载应力到0.05 MPa;(2)保持应力不变的条件下将样品以2 ℃/min的速度降温到0 ℃;(3)以0.05 MPa/min的速度卸 载应力到0 MPa;(4)以2 ℃/min的速度升温到60 ℃。
弯曲-回复测试:将样品制成9mm×3mm×0.07mm规格,在65℃下,以直径为10mm的圆柱形聚四氟棒为模板将样品进行弯曲,在0 ℃环境中放置5min固定形变。形变固定后的样品在20℃、相对湿度(RH)为50%的恒温恒湿箱中分别储存10min(记为状态S1)、12h(记为状态S2),然后在不同的外场中分别进行形状回复测试。
2结果与讨论
2.1材料制备
Si-SMPU前驱体可以水解交联得到形状记忆性良好的高分子材料[14]。Si-SMPU前驱体的水解液与Fe3O4纳米分散液混合均匀,溶液浇注成膜过程中Si-SMPU进一步缩合交联,形成形状记忆性能良好的SMP/Fe3O4纳米复合薄膜材料,反应过程见图1。
2.2不同放置时间对样品形状回复的影响
相比拉伸形变,弯曲形变可在较小的应力下发生较大的形变,同时在适当的升温环境中回复,其回复速率适中,便于观测和比较样品的回复性能。以下分别测试了样品弯曲形变固定、放置不同时间 后,其在热场 和磁场中 的形状回 复。 其Rr的计算公式见式(1),各物理量示意图见图2。
式中:L0为样品的原始长度,Lf为弯曲固定后样品两端点之间的长度,Rr为多次测量取得的平均值,经计算后误差范围在3%以内。
(1)热场中回复测试
图3为S1和S2在热场中进行回复的过程。
图3(a)为材料初始阶段的照片,随着温度的升高,S1首先发生回复,S2随后发生回复(图3(b)),最终两种不同储存时间的材料均回复完成(图3(c))。材料经过变形固定后,在热场中回复率(Rr)与温度的关系(Rr-T)曲线如图4(a)所示 。 由图4(a)可知,随着温度的升高,S1的回复率Rr达到10% 和90%时的温度分别为31 ℃和32.5 ℃,回复温度范围为1.5 ℃,继续升温,样品的最终Rr达到99%。而S2的Rr达到10%和90%时的温度分别为33.5℃和36℃,回复的温度范围为2.5 ℃,最终回复率达到了98%。即放置10min的样品的起始回复温度较低,Rr从10%到90%的回复温度范围较窄。
根据文献[15]的方法对回复曲线(Rr-T)图做一次 、二次微分处理得到曲线,如图4(b)、(c)所示。
图4(b)曲线的峰值对应的温度为达到最大回复速度时的温度。可以看到,S1达到最大回复速度的温度为31.8 ℃, 比S2的温度(35.7 ℃)低。二次微分得到的曲线,在正负范围内有2个峰值出现,从0s开始到第一个正向峰值之间的时间定义为诱导期。第一个正向峰值到第二个负向峰值出现的时间为回复期,材料的大部分应变主要在此阶段进行回复。从图4(c)中明显可以看出,从开始回复到第一个波峰, S1的回复诱导期从29.8 ℃到31.2 ℃,而S2的回复诱导期从29.8 ℃到34.5 ℃。也就是说,形变后放 置时间短 的样品,在热场中回复时诱导期短,起始回复温度低,更快地达到最大回复速度。
(2)磁场中回复测试
在交变磁场的作用下,磁性纳米粒子可被诱导产生热量,当适量磁性纳米粒子引入SMP中,SMP/Fe3O4复合膜的温度也会在交变磁场下逐渐升高,当达到聚合物基体的形状回复温度时(Tm附近),则可以实现SMP/Fe3O4复合膜的形状回复。图5展示了S1和S2在相同的磁场中进行回复的过程。图5(a)为样品的初始形状,随着磁场对磁性粒子的加热,S1首先开始进行回复(如图5(b)所示),随着时间的延长和温度的升高,最终S1、S2均回复完成(如图5(c)所示)。
Rr-T曲线及数据处理如图6所示。S1的Rr达到10% 和90%时的温度分别为28.6 ℃和30 ℃,回复温度范围为1.4 ℃,样品的最终Rr达到96%。而S2的Rr达到10%和90%时的温度分别为29.8 ℃和31.5 ℃,回复的温度范围为1.7 ℃,最终回复率达到了96%。与热场中类似,S1的起始回复温度较低,Rr从10%到90%的回复温度范围较窄。
对磁场的温度-回复曲线做一次、二次微分处理得到图6(b)、(c)。从图6(b)可以看到,形变后放置时间短的S1达到最大回复速度的温度为29 ℃,而S2为31 ℃,即S1达到最大回复速度的温度低。从图6(c)可以看到,S1的诱导期从27.5 ℃到28.8 ℃,而S2的诱导期从27.5 ℃到30 ℃,即S1的诱导期要短于S2。
2.3放置时间对材料结晶和熔点的影响
为了更深入地探讨SMP/Fe3O4复合膜的形状记忆性能与其“结晶-熔融”过程,通过XRD和DSC对S1、S2进行了表征。
2.3.1XRD测试
图7中曲线在2θ分别为21.6°和23.9°处的峰为PCL正交晶系的特征衍射峰[16],形变前后,样品中PCL的晶型没有发生变化。由于复合材料中Fe3O4含量较低,谱图中没有出现明显的Fe3O4的衍射峰。采用JADE软件对图7中不同样品进行结晶度的计算[17],原始样品的结晶度为37.5%, 形变固定放置10min的S1的结晶度为20.4%,而放置12h的S2的结晶度为30.0%,说明原始样品经过形变固定,结晶度降低,随着放置时间延长,材料的结晶程度又逐渐增加。
2.3.2不同放置时间的DSC测试、DMA测试
从图8(a)可以看出,原始样品的熔融峰的温度为44.6 ℃,熔融焓为38.9J/g,经过形变固定后,样品的熔融温度和焓值都有所降低,S1的Tm为34.1 ℃,熔融焓为21.6J/g。 而S2的Tm和熔融焓虽然低于原始样品,但比S1的均有所升高,其熔融峰值温度为40.3 ℃,熔融焓为27.3J/g。这与前面XRD所得结果一致。
通过图8(b)DMA测试,由损耗因子-温度曲线 所得的Tm值变化趋势与DSC的结果一致,即原始样品Tm为58.3 ℃,经形变固定后,S1的Tm降低到53.9 ℃,而形变固定后放置12h的S2的Tm升高为55.5 ℃。
2.4形变后放置时间对Tm型SMP聚合物回复性能影响的机理
SMP/Fe3O4膜的形状回复对应着SMP中PCL相从结晶到熔融的转变,无论在磁场还是热场中进行回复时,其回复都受到PCL结晶程度和熔融温度的影响。在磁场中响应, 只是采用一种从内部加热材料的方式,并没有改变SMP材料的本性。储存时间对SMP/Fe3O4复合膜在磁场和热场中回复的影响规律是类似的。原始样品经过形变固定,晶型并未改变,结晶度降低,结晶相的熔融温度降低;随着放置时间的延长,结晶度和熔融温度会逐渐升高,储存12h的S2,其结晶度和熔融温度都高于储存10min的S1。因此无论在热场还是磁场中的升温回复过程中,S1较S2都具有较低的起始回复温度,并且在较低温度完成回复。
S1的Rr从10%到90%所跨越的温度区间较S2的窄, 可能是由于回复过程受到PCL结晶相熔程以及各种完善程度不同的结晶的含量和分布的影响。在存储过程中,结晶的生长和变化受到许多参数的影响。
3结论
本实验制备了形状记忆性能良好、既可热场响应也可磁场响应的“结晶-熔融”型的SMP/Fe3O4纳米复合膜。通过弯曲-回复测试,研究了在热场、磁场中进行回复时,形变固定后的储存时间对其形状回复性能的影响。结果表明,储存时间对SMP/Fe3O4复合膜在磁场和热场中的回复的影响规律是类似的。在热场和磁场中回复时,S1较S2具有较低的起始回复温度和较窄的回复温度区间。XRD、DSC和DMA的测试结果表明,原始样品经过形变固定,晶型并未改变,结晶度降低,结晶相的熔融温度降低;随着放置时间的延长,结晶度和熔融温度会逐渐升高,储存12h的S2,其结晶度和熔融温度都高于储存10min的S1。因此无论在热场还是磁场中的升温回复过程中,S1较S2都在较低温度开始回复,并且在较低温度完成回复。S1的Rr从10%到90%所跨越的温度区间较S2的窄。
摘要：首先制备了形状记忆性良好、在热场和磁场中都可响应的SMP/Fe3O4纳米复合材料,将样品在形变固定后,储存不同时间,分别在热场和磁场中考察储存时间对SMP/Fe3O4回复性能的影响。结果显示,储存时间10min及储存时间为12h的样品的形状回复率均在95%以上,存储时间对于热场和磁场中形变回复性能的影响具有类似的规律,即:形变固定后储存时间延长,其起始回复温度升高,回复诱导期增长,回复的温度区间变宽。XRD、DSC、DMA测试结果表明,随储存时间的延长,样品的结晶度增加,样品熔点和熔融温度区间发生改变,从而引起相应的SMP/Fe3O4回复性能的变化。