轴向拉伸超弹性管局部失稳的理论分析和实验研究

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1、天津大学硕士学位论文轴向拉伸超弹性管局部失稳的理论分析和实验研究TheoreticalandExperimentReachonLocalizedInstabilityofHyperelasticTubeunderAxialTension一级学科：力学学科专业：固体力学作者姓名：刘琪指导教师：王世斌教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包

2、含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期

3、：年月日签字日期：年月日中文摘要超弹性高分子材料是一种性能独特而不可代替的高分子材料，在建筑工程、航空航天、国防军事、机械、生物工程以及其他领域都有广泛的应用。在现代工程和日常生活中的经常使用的超弹性薄壁管结构，在受内压和复合载荷的时候，往往会出现一定的失稳起鼓现象。这种特殊的起鼓现象会对结构的功能以及工程的安全性产生很大的危害，因此，对这种失稳起鼓现象进行深入的研究有十分重要的价值。本文从理论和实验两方面探究轴向拉伸载荷和内压联合作用下超弹性薄壁管的局部失稳起鼓，主要内容包括以下几方面：采用实验室气体

4、加载系统对轴向拉伸作用下的超弹性管进行充气实验，观察超弹性管内部压力的变化和失稳起鼓后的形貌变化。同时，分析轴向拉力、超弹性管的几何尺寸等因素对超弹性管失稳起鼓的内部压力的影响。基于连续介质力学有限变形理论，建立轴向拉伸超弹性管充气时的控制方程。选用适当的应变能函数描述实验用超弹性材料，并对材料参数进行拟合，确定实验用超弹性材料的本构模型。利用打靶法求解控制方程，并计算轴向拉伸超弹性管在充气时的内部压力与体积。对计算结果进行分析，探究轴向拉力和初始几何尺寸对超弹性管充气过程中内压变化的影响，并与实验结果

5、进行比较分析。同时，研究超弹性管充气过程中的形貌变化，得到了超弹性管不同位置的形貌变化规律。探究缺陷对超弹性管充气时失稳起鼓的影响，在超弹性管中部加入轴对称的环状缺陷进行研究。研究表明，缺陷的存在一定程度上降低了超弹性失稳起鼓的临界压力，同时，也降低了超弹性管膨胀到一定体积所需的内压。对轴向拉伸作用下超弹性管充气时的失稳现象进行的分析研究，可以为本构和几何形状更为复杂的变形局部化问题提供参考，对类似的生物管状结构的稳定性问题，如动脉瘤的产生和生长机理等研究具有重要的指导意义。关键词：超弹性管；局部失稳；

6、轴向拉伸；形貌测量IABSTRACTHyperelasticpolymermaterialisspecial,irreplaceableandwidelyusedinengi-neering,aerospace,military,machinery,biologicalengineeringandotherfields.Thin-walledhyperelastictubeasacommonstructuretendstoappearlocalizedinsta-bilityunderinternalp

7、ressureandcompositeload.Thisphenomenonwillharmthefunctionofstructuresandthesafetyofengineeringprojects.Thustheinstabilityneedstobestudied.Thispaperanalyzesthelocalizedinstabilityofinflatedhyperelastictubeunderaxialtensionbybothexperimentandmodeling.Thema

8、inworkareasfollows:Theinflationexperimentofhyperelastictubeusesagasloadingsystemdevel-opedinourlaboratory.Thevariationofinternalpressureandprofilesofthetubedur-inginflationwereobserved.Atthesametime,theeffectofthelengthoft