基于塑性理论的形状记忆合金本构模型、试验和数值模拟

通过拉伸试验,研究了超弹性形状记忆合金（SMA）丝在不同应变幅值反复加卸载条件下的滞回变形行为。在测得试验数据的基础上,针对目前广泛使用的SMA Graesser＆Cozzarelli模型仅描述了小应变情况下SMA特性,而在大应变下SMA马氏体的硬化特性不能得到描述的问题,提出了修正的SMA本构模型,并把模型拟合结果和实验数据进行了比较分析。结果表明,模型数值拟合结果和试验数据吻合很好,可以很好地描述SMA在不同应变幅值下的应力-应变关系;且模型形式简单,概念明确,参数容易得到,具有一定的工程应用价值。     

形状记忆合金的研究进展

综述了形状记忆合金作为一种功能材料的特性,以及其本构关系的研究进展,简要介绍了它在各种不同领域中的应用,最后指出当有研究形态记忆合金存在的问题。     

形状记忆聚合物热力学本构模型研究进展

形状记忆聚合物是一种新型的智能材料,与记忆合金相比它具有密度低、高恢复率、易生产和低成本等优点。由于这些特性,它广泛应用于医疗和航天等领域,其理论研究逐渐得到人们的重视。形状记忆聚合物主要通过热致变形来实现形状记忆和恢复效应,因此热力学本构模型是其材料的形状记忆和恢复功能的关键因素。文中介绍了形状记忆聚合物热力学本构模型的一些理论研究成果,并对其中存在的一些问题作了简要地讨论。     

形状记忆合金超弹性本构关系的神经网络模型

通过试验，研究了受过循环变形、具有稳定超弹性变形性能的形状记忆合金丝在拉伸到不同应变幅值条件下卸载的超弹性变形行为。根据试验测得的结果，提出了基于神经网络的形状记忆合金超弹性本构关系模型，并把模型计算的结果和实验数据进行了比较分析，结果表明，该模型具有很高的精度。该模型避免了已有模型在参数确定上的困难，具有一定的工程应用价值，为建立形状记忆合金本构模型提供了一个新的思路。     

基于频率效应的超弹性形状记忆合金本构模型

超弹性形状记忆合金(SMA)的力学特性受荷载频率影响较大。在Lagoudas多线性一维本构模型基础上,仔细分析了SMA在不同频率荷载下的试验资料,提出应力-温度相图中四组相变应力直线的斜率随荷载频率变化以及最大残余应变与频率负相关的假定,建立了基于频率效应的SMA线性本构模型。对不同频率下SMA的应力-应变曲线进行数值模拟,表明该模型能较准确地模拟SMA在不同荷载频率下的滞回主环力学特性,但预测的子环与试验误差稍大。采用荷载频率为0.003Hz和0.08Hz时SMA本构模型,分别计算了SMA-弹簧-振子在不同频率正弦激励下的振动响应,表明SMA单元能够有效实现结构的被动控制,并在一定程度上反映了由于SMA模型不同而带来的控制效果的差异。     

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。     

形状记忆合金热力学经验本构模型的数值分析及修正

形状记忆合金本构模型的不断发展可以更精确地描述其特殊的热力学特性,具有重要的理论意义,但引入的参数越多,形式越复杂,不便于实际工程应用.经验本构模型是在金属材料线弹性本构模型基础上建立的,具有形式简洁、便于理解的优点,然而,如何利用经验本构模型进行数值分析,模型中的性能参数如何获得是应用中亟需解决的问题.为此,本研究给出了与应用条件一致的形状记忆合金性能参数测试方法及对数据的分析技巧,进而获得描述形状记忆合金特性的性能参数.以此为基础,利用经验本构模型对形状记忆合金在恒定载荷下的应变-温度关系、恒定温度下的应力-应变关系进行了分析,并与试验结果进行对比,对模型中存在的误差进行了修正,研究结果为形状记忆合金驱动器的设计提供了理论和试验依据.     

铁磁形状记忆合金本构关系的研究进展

主要分析了现有的关于铁磁形状记忆合金的本构关系,从它们所包含力学特点和基本理论出发进行了分类介绍,指出了存在的问题,最后对本构模型的进一步改进提出了修改意见。     

考虑磁场影响的磁性形状记忆合金分段线性化超弹性本构模型研究

磁性形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy,MSMA)作为一种新型智能材料,同传统温控形状记忆合金一样具有形状记忆效应和超弹性效应。现有的MSMA本构模型大多存在理论性强、形式繁杂、参数较多等问题,不利于实际工程应用。为此,该文借助线性化方法,建立了超弹性MSMA分段线性化应力-应变关系;引入应力择优取向马氏体变体体积分数作为内变量,基于塑性理论框架,构建了MSMA分段线性化超弹性本构模型;提出了描述临界应力与环境磁场关系的Logistic关系函数,并基于试验数据拟合了关键参数;利用所建立的本构模型对考虑磁场影响下的MSMA超弹性进行了数值模拟,并从滞回曲线形状和滞回耗能两个方面与试验结果对比。结果表明:所提出的临界应力与环境磁场关系函数拟合优度可达0.993;材料本构模型预测曲线与试验结果较为接近,理论耗能能力与试验结果误差平均为11.9%。因此,模型能够较为准确地模拟MSMA的超弹性变形过程和耗能能力,为预测考虑磁场影响的MSMA超弹性特性提供了一种简便方法。     

退火工艺对冷拔Ti—Ni合金丝形状记忆效应及伪弹性的影响

Ti-49.1(at)%Ni 合金丝经40%冷拔加工后表现出线性伪弹性,平均弹性模量约40GPa,弹性行为不随应变速率变化而变化,冷拔试祥若在400℃经不同时间退火后.则表现出优良的相变伪弹性,伪弹性的屈服应力随退火时间延长而下降,当退火时间延长至10h 时,伪弹性消失,转变为形状记忆效应。当退火温度高于500℃时,试样的形状记忆效应随退火温度升高而下降。根据实验结果分析认为,若在给定温度下退火,则时间愈短,出现相变伪弹性的最低试验温度愈低。     

形状记忆合金马氏体相变动力学模型

基于马氏体体积分数对温度偏微分与自由能差对温度偏微分呈线性关系的事实, 提出一种新的马氏体相变动力学模型, 通过与其它马氏体相变动力学模型比较, 并应用于复合材料模型中, 表明本模型与实验结果十分吻合。      

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.     

TiNi-Pd形状记忆合金的高温氧化

使用X射线衍射仪、扫描电镜和电子探针微区分析仪等设备研究了TiNi，TiNiPd以及TiNiPd(Ce)三种TiNi-Pd形状记忆合金的高温氧化问题。合金在氧化之后产生多层的氧化膜，其最外层都是由金红石(TiO2)组成。二元合金TiNi的氧化膜呈现明显的两层，而TiNiPd合金的氧化膜则为四层。加稀土的TiNiPd(Ce)合金的氧化膜呈现出多层的结构，可分为五层。提出TiNiO3和Ti4Pd2O在氧化过程中充当了离子交换的媒介。试验显示，氧化后TiNi合金中钛的成分损失不大；而TiNiPd和TiNiPd(Ce)合金氧化后，钛的成分减少很多，显微硬度从合金表面到内部呈线性降低。     

钒对NiTi形状记忆合金相变点(Ms)影响的电子结构分析

文中依据固体经验电子理论[1],建立了NiTi形状记忆合金马氏体晶胞的键络模型;并就合金化元素V对其相变点Ms的影响进行了电子结构分析,为揭示该功能材料中成分-性能-结构之间的内在联系做了初步探索,从电子结构的层次上初步解释了V对NiTi合金Ms点的作用机制.     

形状记忆聚氨酯的研究进展

聚氨酯是一种多嵌段共聚物,可通过调节原料的组成和配比,得到性能各异的新型功能高分子材料。由硬段、软段交替排列组成的聚氨酯分子链,具有微相分离的本体结构,符合热致形状记忆高分子的条件,并具有良好的强度、硬度、耐磨性、耐挠曲性和生物相客性等优异性能。本文概括了聚氨酯的形状记忆原理和特征,并对形状记忆聚氨酯的研究进展作了重点阐述。     

Ti—Ni形状记忆合金DSC曲线的特征

系统研究了Ｔｉ－Ｎｉ形状记忆合金时效后ＤＳＣ曲线的特征。结果表明，Ｔｉ－Ｎｉ合金的ＤＳＣ曲线分６种类型复杂ＤＳＣ曲线可用不完全循环法分析。根据成分时效工艺不同，Ｔｉ－Ｎｉ合金可发生７种可逆相变。     

Leonov粘弹本构模型及其参数的确定方法

介绍了Leonov粘弹本构模型以及它在简单剪切流中的应用,它对于不同的流动问题具有较好的描述能力,能用来描述剪切流动、振荡流动及瞬态剪切流动等。并且基于高聚物材料的动态实验,采用非线性回归方法拟合出了Leonov模型中的物性参数,并用拟合的数据与材料的简单剪切行为进行了比较。     

功能梯度形状记忆合金细观力学本构模型

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloy, 简称FG-SMA)是一种新型功能梯度复合材料, 它兼备功能梯度材料和形状记忆合金(Shape Memory Alloy)两种材料的优异特性。该文根据细观力学的理论, 考虑材料的微观组成及相互作用, 建立了一个适合于描述FG-SMA材料力学性能的细观力学本构模型, 该模型可以准确的描述复杂载荷作用下FG-SMA的力学行为。应用这个模型, 该文详细分析了一个由弹性材料和SMA组成的FG-SMA梁在轴力和弯矩共同作用下的受力变形行为。由数值算例可知, 这种新型材料可显著减小载荷作用下的最大应力, 避免材料由于应力过大而导致的破坏。此外, FG-SMA还具有一些其它独特的性能, 可满足实际应用中一些特殊的需要。该文的研究结果可为该类材料的进一步研究提供基础, 为该类材料的应用提供依据。