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。     

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。     

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.     

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。     

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.     

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。     

半刚接钢框架内填RC 墙结构简化分析模型

该文提出了一种用于分析半刚接钢框架内填RC 墙结构(简称PSRCW)滞回性能的简化分析模型(即斜向板带模型),基于混凝土应力-应变关系给出了斜向板带的轴力-位移关系曲线,采用Pivot 塑性滞回模型模拟斜向板带的力学行为。采用有限元方法分析了板带恢复力模型、板带数量及倾角对PSRCW 结构斜向板带模型的影响,结果表明Pivot 塑性滞回模型可较好地模拟斜向板带的滞回性能,可采用7 条以上板带及40°~50°之间板带倾角描述PSRCW 结构的整体性能。应用该简化模型对有关试件进行了滞回性能模拟,并与试验结果比较,两者吻合良好。     

新型形状记忆合金驱动器与三指灵巧手设计

针对现有形状记忆合金（shape memory alloy,SMA）温度反馈控制难以实现及SMA应变量小导致实际应用中存在驱动位移小的问题,提出了一种基于电阻反馈控制的新型SMA驱动器,并采用这种驱动器研发了一种绳索传动的三指灵巧手。新型SMA驱动器由滑轮、空心螺柱、SMA丝和弹簧拉伸装置等组成,通过采用滑轮绕线的方式增长SMA丝的使用长度以提高驱动位移输出量;利用SMA自身的电阻特性得到SMA电阻变化与相变的关系,设计了基于电阻反馈的开关控制系统;采用模块化思想设计了三指灵巧手,3根手指共有8个自由度,并通过实验验证三指灵巧手对物品的抓取能力。结果表明：新型SMA驱动器不需要通过测温来判断SMA丝相变进程,省去了外部温度传感器;SMA驱动器输出的驱动量可达驱动器总长的8%以上;通过监测SMA丝的电阻变化可实现驱动器通电加热的控制,防止SMA丝过热烧毁。研究结果为提高SMA驱动器驱动位移和降低SMA驱动器控制难度提供了一种思路。     

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。     

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。