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。     

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。     

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。     

结构振动控制的不同直径NiTi丝力学性能试验研究

试验研究了三种直径超弹性NiTi SMA丝的力学特性,考察了循环加载次数、应变幅值、加载速率和环境温度对其力学性能（相变应力、每循环耗散能量、割线刚度、等效阻尼比和残余应变等）的影响,揭示了加卸载过程中因潜热引起的SMA丝温度的变化规律。研究表明：随着循环加载次数的增加,三种材料的马氏体相变开始应力降低、每循环耗散能量和割线刚度逐渐减小,而残余应变累计增大,但约20圈后趋于稳定。而在同等条件下,三种材料相比,直径0.5mm SMA丝阻尼耗能特性和自复位特性优于另两种材料,而直径1.2mm和2.0mm SMA丝的力学性能基本接近。试验结果为SMA阻尼器的设计提供了依据。     

不同训练条件下NiTi形状记忆合金超细丝力学性能的稳定性

形状记忆合金(Shape memory alloys,SMA)具有优异的形状记忆效应、超弹性、耐疲劳、耐腐蚀以及电阻传感等特性,在航空航天、机械电子、生物医疗等领域得到广泛应用.已开发的SMA产品中,NiTi SMA超细丝因具有更为灵敏的电阻特性和灵活的应用环境,在结构健康监测及微型机电系统中有广阔的应用前景.为了获得性能稳定的NiTi SMA超细丝,对直径25μm的常温马氏体SMA超细丝进行了循环加载试验,分析了训练方法、循环加卸载次数以及材料静置时间对NiTi超细丝的单圈滞回耗能能力、残余应变、割线刚度和等效阻尼比等力学参数的影响规律,同时对马氏体SMA的训练方法进行研究.试验结果表明,随着训练应变幅值和循环加、卸载次数的增加,马氏体状态SMA超细丝的去孪晶过程逐渐缩短,力学性能稳定性增强,且受静置时间影响的材料力学性能具有可恢复性,可为形状记忆合金超细丝在工程中应用提供试验基础.     

超弹性形状记忆合金棒力学性能的实验研究

对超弹性形状记忆合金(SMA)棒进行力学性能实验,研究了荷载循环、应变幅值和荷载频率对其滞回曲线以及耗能量、损耗因子、残余应变的力学参数的影响。结果表明,应力-应变曲线在循环加卸载中逐渐变化并趋于稳定;耗能量和损耗因子均随应变幅值的增加而增加,随荷载频率的增加而减小;稳定的SMA棒的超弹性、耗能能力和阻尼性能均较差,但其输出力较大,故可作为复位或限位装置用于土木工程中。     

非热弹性马氏体相变的细观本构模型

为了更清楚地认识铁基合金经受非热弹性马氏体相变的本征特性,在细观尺度对非热弹性马氏体相变进行了研究.基于马氏体相变晶体学和内变量本构理论建立了非热弹性马氏体相变的细观本构模型.该模型采用微区相变应变、奥氏体及马氏体的塑性应变表征宏观的非弹性响应,把奥氏体和马氏体变体的等效塑性应变率和体积分数变化率作为内变量描述微观结构变化.模型采用J2流动理论描述微区塑性流动,与采用晶体塑性的描述方法相比模型更简单,且更适用于工程计算.单晶奥氏体单变体简单剪切的模拟结果表明:随着应变的增加,先发生奥氏体塑性变形,进而发生相变,马氏体体积分数与应变呈线性关系;温度较低时易发生马氏体相变并使得材料的强度提高.     

一种新型SMA阻尼器的试验和数值模拟研究

利用超弹性SMA丝的耗能能力和自复位能力.提出了一种新型的SMA阻尼器,试验研究了该阻尼器在循环荷载作用下不同位移幅值、不同加载频率和不同初始位移条件下的力学性能,并通过建立的理论模型对阻尼器的力学性能进行了数值模拟.研究结果表明:该新型SMA阻尼器在循环荷载作用下形成稳定的滞回曲线,具有良好的耗能能力和自复位能力;阻尼器的性能可通过调节超弹性SMA丝的初始应变而改变,以满足工程的需要;动力荷载(0.5～2 Hz)频率对阻尼器的耗能能力和等效阻尼比影响不大,而恢复力和割线刚度随频率增加而略微增大;数值模拟结果和试验结果吻合较好,建立的理论模型可以对SMA阻尼器进行理论分析.     

新型自复位黏弹性阻尼支撑力学性能研究

提出了一种新型的自复位黏弹性阻尼支撑(self-centering viscoelastic damping brace,SCVEDB),该支撑利用形状记忆合金的拉伸变形和黏弹性材料的剪切变形共同耗散能量,同时利用形状记忆合金的超弹性特性复位。设计和加工了SCVEDB最基本的模型,对该支撑试件进行了循环往复荷载作用下的力学性能试验,研究了位移幅值、加载速率、SMA丝数量、黏弹性材料的厚度对其性能的影响,同时通过割线刚度、耗散能量、等效阻尼比、自复位比4个参数量化分析了SCVEDB的力学性能。对SMA丝进行了循环拉伸试验,利用OpenSees平台建立了SMA的材料本构数值模型,然后将其与模拟黏弹性材料的Bouc-Wen模型并联,建立了该支撑的力学模型,进而模拟了支撑的力学性能,数值模拟结果与试验结果吻合较好。     

Ti-50．75at％Ni形状记忆合金绞线超弹性试验研究

为了在常温条件下更充分地利用TiNi形状记忆合金绞线的超弹性性能，以Ti-50．75％（原子分数）Ni形状记忆合金（SMA）丝和绞线两种形式试件进行了室温条件下，加载速率、应变幅值及循环次数等因素对SMA丝和SMA绞线超弹性性能影响的试验。试验表明SMA以绞线的形式使用时能够大幅度提高其极限应变能力，相对SMA丝来说更适合应用于大变形时提供足够的恢复力；SMA绞线相对SMA丝具有更强大的超弹性性能；SMA绞线的残余应变量要比SMA丝的小得多，这也是使它具有较高的超弹性性能的主要因素之一．从而验证了SMA以绞线形式使用可以提供更强的超弹性性能．     

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。     

高阻尼黏弹性阻尼器性能与力学模型研究

对2个高阻尼黏弹性阻尼器进行不同应变幅值、加载频率下的力学性能试验和疲劳性能试验,研究试件在不同工况下的最大剪应力、存储剪切模量、损耗剪切模量和等效黏滞阻尼比等力学性能及其变化规律,提出五单元模型模拟黏弹性阻尼器的滞回性能。研究结果表明：黏弹性阻尼器滞回曲线饱满、稳定,具有较高的等效黏滞阻尼比,表现出良好的变形性能和耗能能力;黏弹性阻尼器力学性能与应变幅值的相关性明显,与加载频率相关性较小,抗疲劳性能较好;五单元模型模拟的滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好。     

基于齿轮机构的SMA-摩擦阻尼器试验研究及数值模拟EI北大核心CSCD

基于齿轮机构对形状记忆合金(SMA)丝非比例拉伸的特点,提出了一种新型SMA-摩擦阻尼器,并阐述了该阻尼器的基本构造和工作原理。对SMA丝进行循环拉伸试验,考察了加载幅值、加载速率对其力学性能的影响规律;分别对齿轮摩擦单元和SMA-摩擦阻尼器试件进行了低周往复荷载下的力学性能试验,得到了摩擦材料、预紧力以及位移幅值对单次循环耗能、割线刚度、等效阻尼比和自复位率等力学性能指标的影响规律;建立了SMA-摩擦阻尼器的简化力学模型并进行了数值模拟。研究结果表明:所用复合树脂材料较黄铜材料出力更大,性能更稳定;新型阻尼器具有良好的耗能能力、承载能力及自复位能力,可实现大行程设计;利用OpenSees有限元模型计算得到的滞回曲线与试验曲线吻合较好,验证了力学模型和材料本构二次开发的正确性。     

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。     

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。     

Ti-Ni形状记忆合金复合悬摆减震系统性能试验研究

系统研究了Ti-Ni形状记忆合金丝应力-应变曲线、特征点应力、耗能能力、等效阻尼比等随材料直径、应变幅值、加载循环次数的变化规律,结果表明:丝材直径的增加会导致SMA丝力学性能趋于劣化;当应变幅值为6%、加载循环次数达15次时,可获得滞回性能良好、工作稳定的SMA丝材。将训练后所得SMA丝材,利用其超弹性特性,结合调谐质量阻尼器基本工作原理,设计制作了一类可便于拆卸的SMA复合悬摆减震系统。针对该类减震系统,完成了相应的性能试验,分析了该系统自振频率、质量振子与受控结构间的相位关系、等效阻尼力随振子质量、摆杆长度的变化规律,结果表明:该减震系统在正弦波和真实地震激励下质量振子与受控体结构之间相位关系始终较好的保持在150°~180°之间;同时,等效阻尼力随外荷载幅值的增大,控制效果更加明显。综上,该系统能够简便应用于结构振动控制之中,并提供稳定、高效的阻尼力,从而保护结构免于强动力灾害。     

超弹性NiTi合金循环相变诱发塑性本构模型

为定量描述镍钛形状记忆合金循环相变诱发塑性导致的超弹性退化行为,在广义粘塑性框架下对Graesser模型进行了拓展,考虑了奥氏体和马氏体弹性模量的差异以及马氏体非线性硬化行为,引入循环相变过程中相变应力和残余应变的演化方程,建立了超弹性Ni Ti合金循环相变诱发塑性本构模型,总结了模型参数确定方法.通过镍钛形状记忆合金微管的循环相变试验结果和模拟结果的对比表明,提出的模型能够很好地预测镍钛形状记忆合金的循环相变诱发塑性行为。     

基于非凸本构模型的磁流变流体圆管流动分析

采用了基于唯象相变理论的非凸本构关系,对圆管中磁流变流体的层流运动进行了分析。所采用的本构关系能模拟磁流变流体特有的剪切力-应变率关系中的滞回特性。通过分析,建立了圆管层流的流速分布函数,同时对圆管层流的流量进行了计算,给出了固定磁场强度时的压力-流量特性曲线。对分别采用的非凸本构模型和宾汉本构模型的流速和流量公式用数值分析的方法进行了比较,验证了非凸本构模型的优点。     

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。