形状记忆合金丝增强复合材料的热机特性——智能复合材料研究

在形状记忆合金丝增强复合材料中,形状记忆合金丝作为分布式驱动器使复合材料具有自适应功能.本文根据形状记忆合金的一维本构关系,对形状记忆合金丝增强复合材料的温度与应力、应变关系进行理论探索;对形状记忆合金丝增强复合材料的拉伸性能、温度变化时的自由回复和受限回复性能进行了实验,并与模拟计算结果进行了比较.     

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。     

埋入SMA丝的复合材料层合板在热激励下的自由振动分析

采用Liang-Rogers的形状记忆合金(SMA)本构模型和相变动力学关系,编写了ABAQUS中的相应UMAT用户材料子程序,模拟了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,建立了埋入SMA丝的复合材料层合板结构计算模型,仿真计算了两端固支边界条件下,热驱动SMA时的结构的固有振动特性,分析了SMA丝的热驱动温度,埋丝数量及埋设方式等对结构热振动特性的影响规律.模拟结果表明:加热驱动SMA丝一般会提高结构的固有频率,增加SMA丝的数量可以实现增大结构频率的目的;不同的埋设角度对结构的振动特性影响显著.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.     

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。     

形状记忆合金智能阻尼器的试验研究

利用NiTi合金丝的超弹性特性及电阻应变特性,本文提出了一种具有自感知功能的新型形状记忆合金阻尼器,并通过对阻尼器的构造设计,使安装在其中的NiTi丝始终处于受拉状态,避免了合金丝在结构振动过程中受压屈曲.文中首先测量了两种不同直径NiTi合金丝的超弹性特性及电阻应变特性,得到了其在循环加、卸载作用下的应力-应变、电阻-应变及电阻-应力关系,随后,利用NiTi合金丝的上述特性,提出了一种新型形状记忆合金阻尼器,并将该阻尼器安装在结构模型上进行了地震模拟振动台试验,同时测量了阻尼器中NiTi合金丝在结构振动过程中的变形.研究结果表明,形状记忆合金可以同时作为传感和控制的元件,安装在结构中,有效控制结构在地震激励下的响应,并监测结构构件变形,为结构震后安全评定提供可靠依据.     

TiNi形状记忆合金丝在约束态热循环后的力学特性

研究了TiNi形状记忆合金丝在约束态热循环后的应力-应变特性.结果表明,如果停止加热并加载,或者在母相状态下冷却但是尚未发生正相变时加载,加载应力-应变曲线首先呈线弹性关系,然后才出现应力平台.如果在冷却过程中发生正相变的时候停止冷却并加载,则加载应力-应变曲线只出现应力平台.与之相似,如果在约束态冷却过程中停止冷却并卸载,卸载应力-应变曲线首先呈线弹性关系,然后才出现应力平台.如果在加热过程中停止加热并卸载,则卸载应力-应变曲线立即出现应力平台.     

双轴受压状态下的高延性纤维增强水泥基复合材料本构模型

基于Darwin和Pecknold考虑混凝土双轴力学行为的方法,建立一个同时考虑双轴受压状态下非线性力学行为和抗压强度变化的高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)二维正交各向异性本构模型。在因双轴加载而产生的正交各向异性的2个方向上引入等效单轴应变,建立非线性应力-等效单轴应变关系以考虑ECC的双轴非线性行为,并采用一条双轴强度包络线确定2个方向上的抗压强度。推导模型的显式数值算法,编写包含该算法的用户自定义材料子程序UMAT,并嵌于有限元计算程序ABAQUS v6.14中。通过对两组不同配合比的ECC试件在不同应力比下的双轴受压加载试验进行数值分析验证本模型的有效性。数值计算得到的主压应力方向上的应力-应变曲线及预测的抗压强度与试验结果吻合较好,表明该文提出的本构模型能够有效地预测ECC在双轴受压状态下的非线性力学行为和破坏强度。     

NiTi形状记忆合金丝输出应力与应变

本文研究了预应变ＮｉＴｉ形状记忆合金丝输出应力与应变及其关系。结果表明，预应变ＮｉＴｉ记忆合金丝输出应力与应变是非线性关系。输出应力由相变输出应力和弹性输出应力组成，相变输出应力随温度升高而升高，而与预应变几乎无关，相变输出开始和终止应力庶线性关系，输出应变由相变输出应变和弹性输出应变组成，相变输出应变随预应变增加而增加，随温度升颃是减少，输出是预应变和温度的函数。     

砂土统一本构模型研究及其三维数值实现

基于广义塑性理论与临界状态概念,研究提出了一个统一三维砂土本构模型,通过一组参数实现了砂土由压缩至剪切过程中状态参量的统一表述。基于ABAQUS提供的用户自定义材料子程序UMAT接口,利用Fortran语言编程实现了该三维弹塑性本构关系模型在软件中的二次开发。分别利用Toyoura砂、Fuji River砂以及Tokachi砂的剪切试验数据与数值模拟结果进行对比,结果表明:提出的有限元计算模型可以有效反映加载过程中不同围压和砂土初始密度对应力-应变曲线的影响,能够准确描述密砂的剪胀特性与应变软化特性以及松砂的剪缩特性与应变硬化特性,从而更加真实地反映三维应力状态下土的变形和强度特性。研究成果进一步扩展了ABAQUS在岩土工程中的应用范围,能够为岩土工程领域的数值分析计算提供更加快捷的解决方案。     

用于阻尼器的不同直径NiTi丝力学性能试验

通过对3种不同直径NiTi形状记忆合金丝进行多工况循环加载试验,研究循环次数、应变幅值和加卸载速率对等效刚度、单循环耗能以及阻尼特性的影响。研究表明:经过多次加卸载循环进入稳定期后,形状记忆合金丝的力学性能表现出良好的重复性。对于直径相同的形状记忆合金丝,等效刚度、单循环耗能和等效阻尼比都随循环次数的增加而降低。随着应变幅值的增大,等效刚度减小,而单循环耗能近似线性增加。研究结果对于开发形状记忆合金被动阻尼元件具有指导意义。     

HISS模型在ABAQUS中的三维实现、验证和应用

分级单屈服面(HISS)模型的屈服面是单一光滑的函数,解决了“帽子”模型存在的数学不完备问题。该文介绍了HISS模型中非关联流动法则各向同性硬化的模型及其主要参数对屈服面的影响,使用MATLAB对一个高斯积分点进行加载试验,观测了在加载过程中应力路径及屈服面的变化;基于ABAQUS有限元程序提供的二次开发平台,首次编写了土体HISS模型的三维用户材料子程序。使用ABAQUS外接该文开发的用户子程序模拟了Leighton Buzzard砂土的4种三轴试验算例(静水压试验、常规三轴压缩试验、三轴压缩试验和三轴拉伸试验),并将计算得到的应力-应变关系和体积变化与实验观测结果对比,模型计算的结果与实验结果符合较好,验证了HISS模型用于砂土性质描述的适用性,并将模型用于分析分层路基的平板载荷试验。HISS模型三维子程序的实现为ABAQUS分析三维土体弹塑性问题提供了一种新的本构关系。     

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用

复合材料低速冲击损伤的特殊性及危害性使得对航空复合材料冲击损伤的评估尤为重要。该文通过建立数值计算模型并结合实验数据解决了4个方面的应用问题:1)在ABAQUS子程序VUMAT中引入损伤模式及损伤演化,结合层间连接单元对层合板低速冲击损伤进行了模拟;2)损伤容限设计方法要求对含缺陷结构的极限强度做出正确的评估,通过ABAQUS子程序USDFLD引入损伤模式及材料折减方案,得到了含圆孔的层合板极限拉压强度;3)通过ABAQUS子程序UMAT引入损伤模式及刚度折减方案,结合层间连接单元,模拟了含预制分层的层合板压缩失效问题;4)针对共用铺层结构的工程有限元计算问题,提出了力学等效模型,将该模型应用到结构级的静力实验模拟并拓展至结构冲击模拟。     

微动损伤对复合材料螺栓连接预紧力松弛的影响

开展了横向循环载荷下复合材料螺栓连接件预紧力松弛试验,探究了材料疲劳损伤与接触面微动磨损联合作用下螺栓连接预紧力松弛过程。基于有限元软件ABAQUS,采用Archard磨损模型和ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）自适应网格技术,编制了适用于连接结构微动磨损的UMESHMOTION子程序,建立了分析连接支承面微动磨损的计算模型;利用子程序UMAT编制了Shokrieh和Lessard提出的疲劳累积损伤定量分析程序。在此基础上分析了复合材料疲劳损伤、螺孔伸长及接触磨损的耦合作用下预紧力随循环周次变化的机制,与实验结果进行对比,验证了所提出的预测方法的合理性、有效性。      

Monotonic and Cyclic Plasticity Response of Magnesium Alloy. Part II. Computational Simulation and Implementation of a Hardening Model

Abstract: A constitutive materials model, which includes Ohno–Wang's kinematic hardening rule, is employed to simulate the isothermal monotonic and cyclic behaviours of high‐pressure die cast magnesium AM60B alloy under uniaxial loading condition. An implicit constitutive stress integration scheme developed by Kobayashi and Ohno 9 is used to code the model into an ABAQUS user materials subroutine (UMAT). After the material parameters used in the current model were obtained from the experimental results, the predictive capability of the model was verified.     

一种修正的混凝土弹性损伤本构模型及其应用

混凝土弹性损伤本构模型的模型参数少、标定简单、计算效率较高,适于工程应用。Faria和Oliver等人所提出的混凝土损伤模型,体现了混凝土弹性损伤本构模型的上述优点,但原模型对反复荷载作用下混凝土刚度恢复效应描述欠佳。针对此不足,该文做了修正。并以ABAQUS为平台编制了材料模型子程序UMAT。应用修正的模型对几个典型...     

A simulation study on the thermal buckling behavior of laminated composite shells with embedded shape memory alloy (SMA) wires

In this paper, numerical simulation analyses of the thermal buckling behavior of laminated composite shells with embedded shape memory alloy (SMA) wires were performed to investigate the effect of embedded SMA wires on the characteristics of thermal buckling. In order to simulate the thermomechanical behavior of SMA wires, the constitutive equation of the SMA wires was formulated in the form of an ABAQUS user subroutine. The computational program was verified by showing the response of the pseudoelasticity and shape memory effect (SME) at various temperatures and stress levels. Modeling of the laminated composite shells with embedded SMA wires and thermal buckling analyses were performed with the use of the ABAQUS code linked with the subroutine of the formulated SMA constitutive equations. The thermal buckling analyses of the composite shells with embedded SMA wires show that the critical buckling temperature can be increased and the thermal buckling deformation can be decreased by using the activation force of embedded SMA wire actuators.     

基于弹性-黏弹性对应原理的复合材料层合板模态阻尼预测:理论及其有限元实现

提出一种利用通用有限元软件求解复合材料结构模态阻尼的有限元方法。该方法基于扩展弹性-黏弹性对应原理,定义出具有频率依存性的黏弹性复合材料复刚度矩阵,并借助ABAQUS提供的二次开发接口UMAT将其编入求解器中,结合复特征值法求解任意铺层层合板的模态阻尼。与已有的理论方法相比,本模型的计算结果更为接近实验数据。从而验证了本文提出的数值分析方法的有效性和精确性,为利用ABAQUS软件分析各向异性材料阻尼提供了一条有效途径。