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。     

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。     

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。     

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。     

小变形条件下聚合物本构关系研究

通过两种工程塑料不同温度条件下的准静态和动态压缩试验,研究这两种工程塑料的应力应变特性。同时,为描述所研究聚合物在高温、高应变率下的应力-应变特性,基于Johnson-Cook本构模型,建立一种形式简洁、便于参数拟合的聚合物本构模型。分别利用聚甲醛和密胺树脂在准静态下和高应变率条件下的真应力-真应变曲线,对模型进行参数拟合和标定,结果表明:在高温、高应变率条件下,模型可以预测到5%应变以前的应力-应变关系,与聚合物力学性质符合率良好。     

NiTi形状记忆合金的性能测试与表征

从NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloy，SMA)性能评价和智能结构研究的角度出发，分析了SMA的应力、应变、温度、电阻以及相变之间的关系。通过分阶段和不同变量组合，对SMA的力学、热学和电学特性进行了实验研究。建立了拉伸状态下形状各异的应力一应变曲线通用物理模型，并进行了数值模拟。结果表明：SMA在马氏体相变，特别是R相变时出现一系列物理、力学性质的异常变化，其本构关系呈现高度非线性；数值模拟结果与实验结果较好地吻合；采用应力、应变、电阻、温度四坐标同步测量是对SMA性能评价的重要方法和有效手段。     

土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现

基于土与结构接触面变形特性分析,将接触面土体的剪切滑动面与单元体三维应力状态下的八面体面相对应,通过土的三维弹塑性本构模型在八面体面上的剪切应力-应变关系,建立了接触面土体剪切应力-应变关系;将接触面土体法向压缩变形与侧限压缩条件相对应,通过侧限压缩条件下的荷载变形关系,建立了接触面土体法向应力-应变关系;进一步将接触面土体切向与法向耦合,建立了接触面土体本构模型,模型只有4个材料参数,参数物理意义明确,可由等向压缩试验和常规三轴压缩试验确定。与接触面土体试验结果的对比分析表明,所建立的本构模型可较好地描述接触面土体切向软/硬化特性与法向变形规律。结合有限元软件ABAQUS,编制了FRIC模型子程序,通过模拟土与结构界面剪切滑移过程表明,编制的FRIC子程序可较好地模拟土与结构界面接触的非线性力学行为。     

循环荷载作用下超高性能混凝土的轴拉力学性能及本构关系模型

对具有不同拉伸应变特性(应变强化和应变软化)的超高性能混凝土(Ultra high performance concrete, UHPC)进行了单调和循环荷载作用下的直接拉伸试验。试验结果表明:应变强化UHPC基体开裂后进入多点微裂纹分布的应变强化段,达到极限抗拉强度后进入单缝开裂的应变软化段;应变软化UHPC基体开裂后直接进入单缝开裂的应变软化段;循环荷载下两种类型UHPC的轴拉应力-应变曲线包络线与单调荷载下的应力-应变曲线基本一致;基于刚度退化过程建立了两种类型UHPC的轴拉损伤演化方程,根据实测应力-应变曲线和试件的裂缝分布形态建立了两种类型UHPC的轴拉本构关系模型,与试验结果基本吻合;采用能量法研究了应变强化UHPC两阶段轴拉本构关系在数值计算时的等效方法。最后,通过无筋应变强化UHPC抗弯试验梁的数值模拟对本文建立的应变强化UHPC轴拉本构关系模型和损伤演化方程及相关假定进行了验证,结果表明本文建立的应变强化UHPC轴拉本构模型能较好地预测UHPC弯拉构件的极限承载力,轴拉损伤变量能在宏观层面上较好地反应试件的裂缝分布状态。      

聚碳酸酯挤压形变力学行为有限元模拟

采用有限元方法研究了聚碳酸酯在中应变率下挤压形变的力学行为。基于DSGZ本构模型,开展聚碳酸酯圆柱单轴压缩形变有限元模拟,对比模拟与实验结果,计算模型预测准确度,分析材料压缩形变后的多物理场分布,验证模型对压缩力学响应预测的有效性。模拟聚碳酸酯平板在侧向受限挤压模式下的固态形变,获得了制件的力学演变规律。结果显示,单轴压缩模拟与实验应力-应变曲线吻合度高,DSGZ模型可较为准确地预测压缩弹-塑性形变过程中的应力-应变关系。在圆柱单轴压缩形变与平板挤压形变模拟中,材料整体变形均匀,应力响应温度变化比响应应变率变化更敏感。模拟结果有效地反映了聚碳酸酯挤压形变力学特性,可成为聚碳酸酯挤压形变工程实现的重要依据,为材料强化及其在飞机座舱透明件中的应用提供有力支持。     

基于不可逆热力学的Ni-Ti合金动态本构模型及其有限元实现

为了准确描述Ni-Ti形状记忆合金在高应变率下的动态压缩力学行为,基于不可逆热力学理论框架假定了两个内变量表征Ni-Ti合金应力诱发马氏体相变与塑性屈服的不可逆变形过程,分别推导了马氏体相变与塑性屈服演化规律的主控方程,构建了Ni-Ti合金的三维动态本构模型。根据材料单轴动态压缩实验的应力-应变曲线并采用最小二乘法对本构参数进行了优化识别,然后采用应力补偿更新算法,通过隐式用户子程序接口UMAT将动态本构模型嵌入ABAQUS有限元软件,实现了Ni-Ti合金在高应变率下动态压缩力学行为的数值模拟。通过比对发现,模拟结果与实验数据吻合良好,验证了动态本构模型与UMAT子程序的准确性。本工作为Ni-Ti合金在高速冲击、切削等极端条件下的工程应用奠定了基础。     

SMA纤维混杂层合梁的振动分析

提出一类形状记忆合金(SMA)纤维混杂层合梁的数学模型。采用多胞模型、形状记忆合金一维本构关系分析方法,同时考虑铁木辛柯剪切和马氏体相变的影响。目的是为了更进一步了解层合梁的振动控制。SMA纤维用来作为驱动器,它能够改变弹性模量和回复力,以此改变梁的频率。分析了SMA纤维含量、铺设角度和横向剪切变形的影响。结果表明,通过激活形状记忆合金纤维及改变初始变形,对层合梁的自振频率有很强的控制和调节能力。     

内燃机车司机室低频声-固耦合振动仿真

通过建立内燃机车声固耦合有限元模型,并在底架与转向架接触处施加X、Y、Z方向上的单位激扰力载荷,计算出司机室在30 Hz～150 Hz的声场响应。分析内燃机车司机室声固耦合模态、司机室振动响应、司机室空腔的声学模态以及司机室的声场响应得知,司机室的声压级在68 Hz、76 Hz、86 Hz、98 Hz、124 Hz由于共振产生明显峰值;而在98 Hz、124 Hz与车身壁板及车内声腔声学共振使司机室声压急剧上升。该结论可为司机室减振降噪提供参考。     

Micromechanical Modelling of Shape Memory Alloy Composites

An isothermal finite element method (FEM) model has been applied to study the behavior of two kinds of shape memory alloy (SMA) composites. For SMA‐fiber reinforced normal metal composites, the FEM analysis shows that the mechanical behavior of the composites depends on the SMA volume fraction. For normal metal‐fiber reinforced SMA matrix composites, the SMA phase transformation is affected by the increasing Young’s modulus of the metal fiber. The phase transformation was also treated using a simple numerical analysis, which assumes that there are uniform stresses and strains distributions in the fiber and the matrix respectively. It is found that there is an obvious difference between the FEM analysis and the simple numerical assessment. Only FEM can provide reasonable predictions of phase transformations in SMA/normal metal composites.     

Vibration characteristics of laminated composite plates with embedded shape memory alloys

Shape memory alloy (SMA) is commercially available for a variety of actuator and damping materials. Recently, SMA wires have also become commercially available for the design of smart composite structures because SMA wires with a small diameter can be easily produced. In this work, two types of SMA-based composites are presented for investigating the vibration characteristics. First, laminated composite plates containing unidirectional fine SMA wires are fabricated. By measuring the vibration mode of a clamped cantilever, the influence of both SMA arrangement and temperature on the vibration characteristics is made clear. Next, laminated composite plates with embedded woven SMA layer are fabricated. The stiffness tuning capability is evaluated by impact vibration tests with different temperatures. It is found that the stiffness tuning capability may be improved by increasing the volume fraction of SMAs and by controlling accurately the internal stress according to the phase transformation temperature of SMAs from martensite to austenite. The theoretical prediction on the natural frequency considering the SMAs behavior and laminated structures is proposed and their results agree reasonably with experimental ones.     

单自由度SMA阻尼结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析

设计了一种超弹性形状记忆合金(Shape Memory Alloy, SMA)阻尼器。在SMA丝的Graesser本构模型基础上, 建立了SMA阻尼器的常规力学模型, 进而提出了其简化力学模型。采用随机等价线性化法建立了单自由度SMA阻尼结构在高斯白噪声激励下的平稳随机振动分析公式。算例比较了随机等价线性化法和蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法计算的结构振动响应, 证明了随机等价线性化法的有效性;比较了无控结构和SMA阻尼结构的动力特性和振动响应, 说明了SMA阻尼器能增加结构的刚度和阻尼比, 因而可有效抑制结构的振动。     

形状记忆合金纤维正交各向异性层合矩形板的非线性弯曲振动

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料大挠度层合板的非线性自由与受迫振动特性。基于描述SMA力学行为的Brinson理论以及层合板材料性能预测的混合率, 建立了SMA纤维混杂复合材料大挠度层合板的本构方程, 基于对称层合各向异性弹性板的非线性理论, 建立了以横向挠度和应力函数表示的板的横向振动方程和相容方程。采用Galerkin近似解法将振动方程化为时间变量的含有三次非线性项的Duffing型常微分方程, 采用谐波平衡法(HBM)获得系统的固有频率方程和强迫振动稳态频率响应方程。数值计算表明: 非线性板自由振动频率比与激励温度的关系具有与线性板相同的特征, 马氏体相向奥氏体相转变阶段温度对板的振动频响特性曲线的影响最显著, 同时也讨论了SMA纤维含量、 板的纵横比以及自由振动幅值对板的非线性频率比的影响。      

A 3D SMA constitutive model in the framework of finite strain

The aim of the present paper is to propose a phenomenological thermodynamically consistent 3D model for shape memory alloys (SMA) in the finite strain range. In particular, a model able to predict the main features of SMA materials, such as the superelastic and the shape‐memory effects, is proposed. The model is based on the assumption of the local multiplicative split of the deformation gradient into an elastic and a phase transformation part. The governing state and evolutive equations are written in the undeformed configuration. The material parameters of the model are characterized by a clear physical meaning so that they can be determined by simple experimental tests. The finite deformation SMA model is also reformulated in the framework of small strain, linearizing the strain and stress measures in order to obtain a consistent constitutive model preserving the nonlinear material response. A robust algorithm is adopted in order to integrate the nonlinear evolutive equations; 2D and 3D finite elements are implemented in a numerical code considering finite and small deformations. Some numerical applications are carried out showing the performances of the proposed model and the developed numerical procedure to describe the superelastic and the shape‐memory effects of SMA devices. Comparisons of different results obtained by the small and finite strain formulations are reported. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

阻振质量复合托板减振效果试验研究

在双壳舷间结构声传递途径试验分析基础上,提出了阻振质量复合托板结构。通过典型双壳动力舱段振动及声辐射数值试验,分析了阻振质量截面参数、布置位置对刚性复合托板隔振性能的影响规律。通过开展大尺度舱段模型的振动特性试验,验证阻振质量复合托板的有效性。结果表明:阻振质量复合托板显著降低了舱段中高频的振动及声辐射,非耐压壳体20～4 000 Hz频段振动加速度级平均降低3 dB以上。     

城市高架轨道箱梁振动特性数值分析与实测

由高架箱梁振动产生的桥梁结构噪声是高架线路辐射噪声的重要组成部分。从理论与现场实测两方面研究列车通过时高架轨道箱梁的振动特性。首先利用有限元法建立城市轨道交通高架简支箱梁的三维振动分析模型,分别计算列车以速度为60 km/h、80 km/h、100 km/h和120 km/h通过时,高架轨道箱梁结构的动力响应。将理论模型的计算结果与实测结果进行对比,发现理论模型计算结果和试验分析结果在20 Hz至400 Hz基本上保持一致,最大误差为9.6 d B,说明计算模型满足一定的精度要求。理论模型时域分析的结果表明:同一辆列车经过时各测点振幅值随车速的提高而增大;不同类型列车以相同速度通过时,由于车辆-轨道的耦合作用,列车对轨道和桥梁的冲击作用不同。模态分析结果表明,固有频率高于10 Hz时箱梁振动模态开始呈现截面变形,且随着频率增加,箱梁结构振动形式逐渐表现为构件的弯曲振动。频域分析结果表明,钢轨、轨道板、桥面板、翼缘、腹板和梁底板的振动水平分别为140 d B至160 d B、110 d B至120 d B、110 d B至120 d B、115 d B至130 d B、110 d B至125 d B和105 d B至115 d B,振动幅值随车速的提高而增大。     

中高频大振幅垂向振动下的坐姿人体7自由度建模及实验

建立合适的人体振动模型,预测人体在不同振动环境下的动力学响应和各部位振动的传递性,能够对建筑和交通工具内部的振动控制起到指导作用。到目前为止,大多数垂直振动下的人体多自由度模型都是针对较低频率(20Hz)和较小幅度(1.5 ms-2)的振动环境,未必适用于较高频率(20 Hz)和较大幅度(1.5 ms-2)的垂向振动环境。为了准确地预测坐姿人体对中高频、大振幅垂向振动的动力学响应,建立垂向振动下坐姿人体的7自由度修正模型,并通过实验测试25名志愿者在4种不同加速度幅值(1.0 m/s2、1.5 m/s2、2.0 m/s2、2.5 m/s2)的宽带随机(2~100 Hz)垂向振动下的视在质量。实验结果表明,相比ISO标准规定的3自由度模型,所提出的7自由度修正模型能较准确地预测坐姿人体对大振幅垂向振动的动力学响应。