一种考虑应变幅值和应变速率影响的超弹性SMA宏观唯象本构模型

为充分发挥超弹性SMA的减振特性,奠定应用理论基础,对SMA丝进行了力学性能试验研究,探讨了循环训练次数、应变幅值和应变速率对SMA滞回性能的影响。基于SMA丝力学性能测试结果,在广义粘塑性框架下,对Graesser宏观唯象本构模型进行了拓展。新模型考虑了马氏体正/逆相变过程中特征参量的差异以及大应变幅值下的马氏体硬化特性,并通过引入的内变量演化方程,描述了应变幅值和应变速率对超弹性SMA滞回性能的影响;通过Matlab/Simulink模块对超弹性SMA滞回曲线进行了模拟,并将预测结果和试验结果进行了对比。结果表明:所建立的应变幅值-应变速率相关型SMA宏观唯象本构模型可较为精确地描述SMA在应力诱发相变过程中的超弹性力学行为,同时可反映应变速率和应变幅值对SMA滞回性能的影响。     

超弹性形状记忆合金的神经网络连续本构模型

对超弹性形状记忆合金(SMA)丝在不同应变幅值和荷载速率下进行加卸载单轴拉伸试验,分析其滞回特性随环境因素的变化规律。将径向基函数神经网络(RBFNN)和Graesser模型结合起来,Graesser模型参数取自试验曲线,能由数学式确定的模型参数和应变幅值、荷载速率一起作为网络的输入信息,不能由数学式确定的模型参数作为输出神经元。数值计算表明,RBFNN可以精确地预测Graesser模型参数,且计算的SMA应力-应变曲线与Graesser模型结果吻合很好。     

一种磁流变弹性体模型参数识别新方法及其应用研究

为了定量描述不同应变幅值、频率和磁场下磁流变弹性体(magnetorheological elastomer, MRE)的力学特性,提出了一种新的参数识别方法。采用Bouc-Wen模型表征MRE的非线性滞回特性,通过试验数据验证了模型有效性,基于对模型参数与应变幅值、频率和磁场的耦合关系分析,提出了多工况参数识别方法。将仿真值与试验值之间的误差作为目标函数,利用GA-PSO混合算法对Bouc-Wen模型参数进行识别,选用多种工况的试验数据验证识别结果。结果表明,多工况参数识别方法得到的模型参数表达式在较宽的应变幅值、频率和磁场范围内是准确的,能够反映MRE的力学特性。识别和非识别工况下MRE滞回曲线的仿真值与试验值吻合率高于93%,证明了多工况参数识别方法的有效性,该方法也可用于其他模型的参数识别。     

考虑加/卸载速率影响的Ti-Ni形状记忆合金简化本构模型

系统研究了Ti-Ni形状记忆合金丝(SMA)应力-应变曲线、特征点应力、耗能能力、等效阻尼比随材料直径、应变幅值、加载速率、加载循环次数的变化规律;针对SMA唯象Brinson本构模型无法描述SMA动态力学性能的缺点,结合前述试验结果,提出了一种可考虑加/卸载速率影响的SMA简化本构模型。应用该模型对试验用SMA丝进行模拟,所得应力-应变曲线各特征点平均误差仅为3%,结果表明:所建立的速率相关SMA简化本构模型可较为精确地描述SMA在应力诱发相变过程中的超弹性力学行为,同时可反映加/卸载速率和应变幅值等主要因素对其动力本构模型的影响;该模型结构形式简单,具有较好的工程应用前景。     

应力控制下HTPB推进剂的疲劳损伤及寿命研究

为研究HTPB推进剂应力控制下的疲劳特性,在动态热机械分析仪上开展了不同应力幅值的疲劳试验。结果表明,应力幅值增大会使疲劳寿命缩短,应力幅值越大,相同加载次数下的疲劳峰值应变越大,疲劳谷点应变越小,最终断裂应变值基本一样。以疲劳峰值应变作为损伤因子,基于损伤力学理论建立了不同应力幅值下的疲劳损伤演化模型,克服了原有的Chaboche模型不能解释循环应变松弛的缺点,可以很好地表征材料损伤演化规律。     

高强钢TRB高温下热流变特性

为了准确仿真高强钢板热冲压成形过程,获得高强钢高温下的材料本构关系模型,利用Gleeble3500热模拟试验机在不同温度和应变速率下对不同厚度的高强钢B1500HS钢板进行了单向拉伸试验,获得各种工艺条件下的应力-应变曲线,并基于变形抗力数学模型,引入板材厚度参数,通过最小二乘法进行数据拟合获得高强钢TRB高温下的材料本构关系.利用试验结果对本构关系模型进行的拟合验证表明,拟合程度较好,说明建立的材料本构关系能很好地描述高强钢TRB在高温下的应力-应变关系.     

超弹性SMA复合阻尼器的计算模型及参数分析

介绍了超弹性SMA复合阻尼器的构造及工作原理,并根据它的受力特性,建立了该阻尼器的力学计算模型,针对模型中的关键参数:阻尼器内滑条槽深与接触面摩擦系数、SMA丝的预应变及缠绕量、环境温度及位移幅值等对阻尼器力学性能的影响规律进行了分析。分析结果表明:阻尼器的初始刚度、输出力和滞回面积随内滑条槽深、SMA丝缠绕量、接触面的摩擦系数的增加而增加;在不同的位移幅值下,阻尼器的荷载-位移曲线形状分别呈三角形、四边形和五边形等多边形形式,表现为变刚度的特性;阻尼器的屈服位移和输出力随环境温度的升高而线性增加;当对SMA丝施加一定的初始预应变,SMA复合阻尼器表现为摩擦型阻尼器。最后,将模型结果与实验结果进行了对比,两者基本吻合。     

未硫化橡胶非线性粘弹性本构模型研究

建立一种新的未硫化橡胶力学行为的描述方法。为了充分研究未硫化橡胶在不同变形模式下复杂的应力-应变行为,设计了3种不同的力学特性实验:单轴拉伸、压缩与剪切试验。发现未硫化橡胶的应力-应变关系表现出很强的非线性和率相关性。提出结合Yeoh应变能函数的广义Maxwell粘超弹性模型,拟合分析表明试验结果与模拟结果一致性较好。发现与硫化橡胶一样,必须采用多工况下的实验数据才能得到变形协调的粘弹性本构模型。实验结果和建立的本构模型有助于工程师更好的理解未硫化橡胶的力学行为,为橡胶的制造过程仿真提供理论基础。     

形状记忆合金超弹性分段线性模型及其阻尼特性

建立简单有效的本构关系模型是形状记忆合金（SMA）工程应用和理论分析的一个必要条件。考虑相变过程中马氏体含量的影响,对SMA非线性本构关系进行简化,建立了SMA超弹性应力应变关系的分段线性模型。以此为基础,给出了损耗因子等特性参数计算表达式,并探讨了特性参数随应变幅值、温度等变化的规律,最后应用于一种常见的振动模型,考察了影响其隔振性能的因素。结果表明：应变幅值是影响SMA耗能能力的主要因素;并联弹簧的刚度会对SMA的作用效果产生影响。     

隔振橡胶本构建模研究

提出适合描述隔振橡胶在宽频振动时力学行为的本构模型。本构模型包含超弹性和粘弹性两个部分，超弹性部分表征橡胶材料的静态特性；非线性粘弹性部分描述橡胶材料在振动、冲击载荷下的动态响应。基于该本构模型，对橡胶材料在宽应变率范围内进行试验，九个材料参数通过高、低应变率下的试验数据拟合确定。模型预测结果与试验结果是相当吻合的。     

A nonlinear plate finite element formulation for shape memory alloy applications

The aim of the present work is to develop a new finite element model for the finite strain analysis of plate structures constituted of shape memory alloy (SMA) material. A three‐dimensional constitutive model for shape memory alloys able to reproduce the special thermomechanical behavior of SMA characterized by pseudoelasticity and shape memory effects is adopted. The finite strain constitutive model is thermodynamically consistent and is completely formulated in the reference configuration. A two‐dimensional plate theory is proposed based on a tensor element shape function formulation. The displacement field is expressed in terms of increasing powers of the transverse coordinate. The equilibrium statement is formulated on the basis of the virtual displacement principle in a total Lagrangian format. The proposed displacement formulation is particularly suitable for the simple derivation of high‐order finite elements. Numerical applications are performed to assess the efficiency and locking performance of the proposed plate finite element. Some additional numerical examples are carried out to study the accuracy and robustness of the proposed computational technique and its capability of describing the structural response of SMA devices. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

智能复合材料宏细观力学性能的理论预测与数值分析

利用理论和数值方法研究了形状记忆合金增强复合材料的宏细观力学性; 能预测复合材料的宏观本构列式和弹性基体约束下的形状记忆合金的相变特性。建立了宏观性能参量与细观相变过程的联系。一维变形状态下的数值结果表明智能复合材料仍然具有形状记忆效应和拟弹性特性, 但受到组分材料的性能比、体分比和环境变量等参数的显著影响。      

埋入形状记忆合金丝的复合材料圆柱壳壁板的热振动特性分析

采用有限元软件ABAQUS实现了埋入形状记忆合金（SMA）丝的复合材料圆柱壳壁板结构热振动特性分析．基于“ang-Rogers本构模型编写用户子程序（UMAT）模拟形状记忆合金材料的超弹性行为和形状记忆效应，并在不同温度和应力状态下验证了程序的正确性．基于此程序，计算了埋入SMA丝的复合材料圆柱壳壁板在温度和机械载荷作用下的一阶固有频率，分析了其热振动特性和屈曲特性．模拟结果表明：加热驱动SMA丝一般会提高结构的固有频率和屈曲临界，SMA丝的数量对结构的热振动和屈曲特性有显著影响。这些结论将对智能复合材料结构设计、抗热设计有一定的指导作用。     

形状记忆合金短纤维增强弹塑性基体复合材料的力学行为

基于Eshelby等效夹杂方法和Mori-Tanaka的平均化理论推导了针对SMA短纤维增强弹塑性基体复合材料的细观力学模型。利用此模型,分析了这种复合材料的力学行为,讨论了材料温度、纤维体积分数和纤维特征形状等参数对复合材料残余应力和残余应变的影响。这对复合材料的分析和设计都有重要的意义。      

Theoretical analysis of a functionally graded shape memory alloy plate under graded temperature loading

As a new kind of functional material, functionally graded shape memory alloy (FG-SMA) possesses the excellent properties of both shape memory alloy (SMA) and functionally graded material (FGM). By combining the heat conduction theory with the theory of the mechanics of composite materials, a macro constitutive model, which can be used to describe the mechanical behavior of FG-SMA under graded temperature loading, is established. With this macro constitutive model, the thermo-mechanical properties of an FG-SMA plate, which is composed by ceramic and SMA and subjected to different surface temperature loads, are investigated. The theoretical results show good agreement with the existing data, which indicates that the macro constitutive model provided here is valid. The obtained results show that the martensite transformation does not always happen first at the top or bottom of the plate, and it is dependent on the surface temperatures. It can also be found that the stress decreases markedly due to the martensite transformation. This research can provide a basis for the design and in-depth investigation of FG-SMA material.     

形状记忆合金-玻璃纤维/环氧树脂复合材料在振动边界条件下的低速冲击数值模拟

采用有限元方法（FEM）研究了振动边界条件对形状记忆合金（SMA）-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的抗低速冲击性能的影响。在数值模拟过程中,将改进的三维Hashin失效准则和Brinson模型分别应用于玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和SMA,以表征其本构关系。首先通过与固定边界条件下的SMA-玻璃纤维/环氧树脂复合材料板低速冲击实验进行比较,验证了数值模拟过程中所用模型及材料参数的准确性。其次,在模拟过程中,应用了包含不同振幅的一系列振动边界条件,对其进行模拟,揭示了振动边界条件对其抗低速冲击性能的影响。数值模拟结果表明,在大振幅条件下,无SMA复合材料的抗冲击性能比小振幅条件下弱;在相同振动边界条件下,SMA-玻璃纤维/环氧树脂复合材料与无SMA复合材料相比,其抗低速冲击性能提高。      

Shape Memory Alloy (SMA)‐Based Microscale Actuators with 60% Deformation Rate and 1.6 kHz Actuation Speed

Shape memory alloys (SMAs) are widely utilized as an actuation source in microscale devices, since they have a simple actuation mechanism and high‐power density. However, they have limitations in terms of strain range and actuation speed. High‐speed microscale SMA actuators are developed having diamond‐shaped frame structures with a diameter of 25 µm. These structures allow for a large elongation range compared with bulk SMA materials, with the aid of spring‐like behavior under tensile deformation. These actuators are validated in terms of their applicability as an artificial muscle in microscale by investigating their behavior under mechanical deformation and changes in thermal conditions. The shape memory effect is triggered by delivering thermal energy with a laser. The fast heating and cooling phenomenon caused by the scale effect allows high‐speed actuation up to 1600 Hz. It is expected that the proposed actuators will contribute to the development of soft robots and biomedical devices.     

形状记忆合金耗能弹簧的力学性能研究

从Helmholt自由能出发,建立了SMA材料在复杂应力状态下的热力学本构关系,并由此推导出SMA耗能弹簧的热力学本构关系;在Brinson相变发展方程的基础上,引入等效应力的概念后,建立了内变量马氏体百分数的发展方程。利用上述理论,结合普通金属弹簧的设计方法,建立了SMA耗能弹簧的设计方法;利用MATLAB编写的计算机程序进行了仿真计算。研究结果表明SMA耗能弹簧具有较好的耗能能力。本文建立的计算理论较好地吻合了其他学者的研究结果,适用于实际工程问题的理论分析,具有较大的适用价值。     

一种新型自复位SMA-剪切型铅阻尼器的试验及其数值分析

利用形状记忆合金（shape memory alloys,SMA）的超弹性以及金属铅的屈服耗能特性,开发出一种新型复合耗能自复位阻尼器,由形状记忆合金丝、剪切型铅块以及复位弹簧组成,其特点是结构简单、制作方便,同时具有高耗能及自复位功能。制作了阻尼器模型,并进行了力学试验,研究了在循环荷载作用下不同加载速率、不同位移幅值对其力学性能的影响。建立阻尼器的力学模型对其进行了数值模拟,结果表明:新型阻尼器在循环荷载作用下滞回性能稳定,利用形状记忆合金与铅同时工作耗能,阻尼器具有良好的耗能能力;复位弹簧的设置能使阻尼器具有良好的自复位能力;数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了力学模型的正确性。     

A thermo-micro-mechanical modeling for smart shape memory alloy woven composite under in-plane biaxial deformation

This paper presents a theoretical study of the in-plane behavior of Smart Shape Memory Alloy Woven Composites (SSMAWC) under biaxial loading by developing an integrated micromechanical constitutive model. The model studied in this research is established on the geometric parameters of fibers, metal layers, unit cell, the material constants of composite constituents, and the orientation of fibers, in which the fibers in one direction are SMA ones. The Helmholtz free energy of a Shape Memory Alloy, in 3-Dimensional and 1-Dimensional applications is derived. Using mechanical energy of matrix and elastic yarns, the constitutive relations are developed with the use of strain energy approach and energy variation theorem. The kinetic relations of SMA depicted by Brinson is coupled with the final governing equation of the composite to predict the stress history in smart shape memory alloy woven composites. The deflection of the structure, subjected to uniform biaxial loading is studied numerically. It is found that the effect of Shape Memory Effect (SME) of the SMA wires on the behavior of plain woven flexible fabric composite is significant.