新型双重自复位摩擦阻尼器试验及数值模拟

为提升阻尼器的复位性能,提出了由复位弹簧与形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)组成的双重复位驱动体系,设计了新型双重自复位摩擦阻尼器,概述了其构造及工作原理。通过往复加载试验,考察了预紧力、加载位移幅值及复位弹簧组件刚度对阻尼器复位性能及耗能性能的影响;确定了阻尼器简化力学模型并进行数值模拟分析。结果表明：增大预紧力虽能提高阻尼器耗能性能,但同时增大了残余变形率;在预紧力和加载位移幅值较大的情况下,双重复位体系对阻尼器卸载后残余变形率的降低更加显著,有利于提升有高耗能需求的阻尼器的复位性能;简化力学模型与OpenSees有限元模拟得到的阻尼器滞回曲线、力学性能参数与试验结果吻合程度较高,验证了力学模型的准确性。通过有限元模拟分析了各功能部件对阻尼器整体性能贡献,分析结果反映了摩擦耗能装置对阻尼器整体耗能性能的贡献较好,并且复位弹簧对阻尼器复位性能的贡献随着预紧力的增大而愈加明显。     

形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形研究

建立了可作为软体机器人中的形状记忆合金(SMA)弹簧驱动器的变形模型,获得了模型的待定参数A1、A2、A3、B1、B2、B3,并对该模型进行了实验验证。首先基于Clausius-Clapeyron方程和泰勒展开式,使用待定参数法建立了SMA弹簧的变形模型,描述了SMA弹簧的变形量、负载和温度之间的非线性关系;然后根据热平衡方程建立了电加热情况下的SMA弹簧温度变化模型,并获得了加热时间与弹簧温度的关系曲线;继而进行了零负载状态下的变形实验,根据实验结果计算出变形模型中的待定参数;最后通过定长通电驱动和定载荷通电驱动实验,验证了模型的正确性。所建模型能够为软体机器人中的SMA弹簧驱动器的控制方案建立提供参考。     

自复位超弹性SMA筋梁柱节点数值模拟研究

为提高框架结构的耗能能力和自恢复能力,提出了基于超弹性SMA筋的功能自恢复梁柱节点。基于OpenSees有限元软件平台,采用SMA材料自复位双旗形本构模型,建立了自复位SMA筋混凝土梁柱节点有限元数值模型,进行了低周往复作用下有限元模拟,得出节点的滞回曲线与骨架曲线。通过与现有试验结果的对比,验证了节点分析模型的有效性。进行了参数分析,分别考虑了SMA材料的配置数量、配置长度和屈服强度等参数,分析了SMA材料参数对节点的滞回性能和自复位能力等性能的影响。结果表明:超弹性SMA筋混凝土梁柱节点具有较高的耗能能力和自复位能力。建立的数值分析模型能较好地模拟自复位SMA筋节点在低周往复荷载作用力下的"双旗形"滞回性能。SMA筋材力学参数对节点抗震性能有较大影响:在适筋条件下,SMA配置数量越大,残余位移越小,复位能力越强;相同条件下,SMA筋超过塑性铰长度后,对节点性能影响不大;适筋条件下,提高SMA筋的屈服强度会提高节点的承载能力以及自复位能力。     

自复位放大位移型SMA阻尼器优化设计方法研究

该文利用形状记忆合金（SMA）的超弹特性提出了一种新型自复位放大位移型SMA阻尼器（re-centeringdeformation-amplified SMA damper,RDASD）。该阻尼器可将位移变形根据实际工程需要进行放大,通过限制放大以后的位移充分发挥SMA材料的耗能能力。首先建立了该阻尼器的恢复力模型,并通过试验进行了验证。基于SMA材料的旗帜型恢复力模型,分析了预变形、超弹性拉伸位移、刚度和长度四个参数对该阻尼器耗能系数的影响规律。为实现最佳耗能和减震控制效果,提出了该阻尼器的设计准则和性能优化方法。最后以某三层钢框架结构为例,分析了有控和无控两种工况下结构在地震动作用下的动力响应,验证了该阻尼器的减震效果。     

SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

该文将超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)螺栓和摩擦斜面结合,提出一种SMA滑动摩擦阻尼器(SMA slip friction damper,SMASFD)。介绍了SMASFD的基本构造和工作原理,给出描述滞回行为的理论公式,开展了概念验证试验,建立了三维实体单元有限元模型。试验数据和分析结果均表明,采用合理设计的斜面倾角和摩擦系数,阻尼器可展示出“旗帜形”滞回曲线,拥有良好的耗能能力和优越的自复位能力,并且理论公式和模拟结果均与试验数据吻合良好。基于已经验证的有限元模型,建立了6个额外的有限元模型进行参数分析,关键参数包括斜面倾角、摩擦系数和SMA螺栓的预紧力。参数分析结果表明：阻尼器的非线性变形集中于SMA螺栓内,其他部件保持弹性;增大斜面倾角可提高阻尼器的强度、割线刚度和耗能能力;当接触面间的摩擦系数较大时,阻尼器的耗能能力得到提高,但是超过上限值会导致阻尼器无法自复位;对SMA螺栓施加预紧力可提高阻尼器的初始刚度和割线刚度,但是会降低阻尼器的最大变形能力。     

SMA滑动摩擦阻尼器的数值模拟及参数分析

建筑结构消能减震优化设计是通过调整消能减震装置在结构中的布设位置和布设数量,以满足不同水准地震作用下结构受力变形需求。该文将形状记忆合金(Shape memory alloy, SMA)和摩擦材料相结合,提出了一种新型自复位SMA阻尼器,将其布设于框架结构中以降低结构的地震响应。以四水准抗震设防目标下结构峰值层间位移角为约束条件,建立了基于循环迭代法和回溯搜索优化算法的两阶段结构减震优化设计方法。第一阶段通过在结构中逐次增设阻尼器数量开展循环迭代,寻求结构中阻尼器使用总数量;第二阶段使用基于全局搜索机制的回溯搜索优化算法开展二次优化计算。通过上述方法对9层Benchmark钢框架结构进行了减震优化设计,结果表明：所提出的两阶段减震优化设计方法可得到经济合理的阻尼器布设方案,优化后结构各楼层层间位移角沿楼层分布更为均匀,在阻尼器总数量最小的情况下保证减震结构在地震作用下可满足预设的层间位移角限值。     

考虑相变的铝合金管焊接残余应力数值模拟

以铝合金薄壁管的对接接头为研究对象,根据实际情况建立了其热-冶金-力学耦合的三维有限元模型,运用SY-SWELD软件在考虑相变情况下对其焊接过程温度场与轴向和环向残余应力分布进行数值计算与分析,与实验结果进行对比验证了该模型的准确性。此外,还分析了铝合金管半径变化对残余应力分布的影响规律。结果表明:相变对轴向最大拉应力与环向最大拉应力和压应力都有明显的影响,且考虑相变能更准确地模拟轴向和环向残余应力;在考虑相变情况下,焊接残余应力随半径的增大而增加;并且在不同的半径条件下,距焊缝中心不同距离上的应力分布有着一致的变化趋势。     

形状记忆合金-玻璃纤维/环氧树脂复合材料在振动边界条件下的低速冲击数值模拟

采用有限元方法（FEM）研究了振动边界条件对形状记忆合金（SMA）-玻璃纤维/环氧树脂复合材料的抗低速冲击性能的影响。在数值模拟过程中,将改进的三维Hashin失效准则和Brinson模型分别应用于玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和SMA,以表征其本构关系。首先通过与固定边界条件下的SMA-玻璃纤维/环氧树脂复合材料板低速冲击实验进行比较,验证了数值模拟过程中所用模型及材料参数的准确性。其次,在模拟过程中,应用了包含不同振幅的一系列振动边界条件,对其进行模拟,揭示了振动边界条件对其抗低速冲击性能的影响。数值模拟结果表明,在大振幅条件下,无SMA复合材料的抗冲击性能比小振幅条件下弱;在相同振动边界条件下,SMA-玻璃纤维/环氧树脂复合材料与无SMA复合材料相比,其抗低速冲击性能提高。      

预拉伸条件下铝合金筒体焊接残余应力和变形的数值模拟

利用ANSYS有限元分析软件,分别对施加及不施加拉伸应力的铝合金筒体环焊缝对接焊接过程中的应力场及变形进行了模拟分析。计算结果表明:预拉伸焊接可以有效减小铝合金薄板的焊后残余应力和变形。当预拉伸应力为材料屈服强度的90%时,焊缝残余应力较无预拉伸的降低近52%,同时,铝合金筒体焊接残余变形也大幅减小。     

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。     

Ti2AlNb合金电子束焊接头残余应力及变形的数值模拟

目的 研究平板对接电子束焊接过程中Ti2AlNb合金接头的残余应力及变形规律。方法 采用高斯圆柱体和高斯面组合热源模型模拟了6.6 mm厚的Ti2AlNb合金平板对接电子束焊过程,对比研究了高焊速高束流和低焊速低束流2种工艺参数下焊接接头的残余应力和变形分布规律,并用小孔法测量了焊缝中心及距焊缝中心10 mm位置的残余应力值。结果 在高焊速高束流参数下,获得了熔池体积小、熔池宽度窄(为3.62 mm)、深宽比高的焊缝;在该参数下焊缝横截面上的高应力集中区(应力在900 MPa以上)尺寸较小,其宽度仅为低焊速低束流参数下的89%;同时,在高焊速高束流参数下,焊缝法向变形最大值为0.79 mm,低于低焊速低束流参数下的0.82 mm;模拟计算所得残余应力与实测值的误差在5.64%以内。结论 高束流高焊速工艺具有热输入小、热量集中、加工效率高的特点,有助于获得高应力集中区域小、深宽比高、变形小的焊缝,比低束流低焊速工艺更具优势。     

热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述

固化变形和残余应力给复合材料的应用带来威胁,准确的预测固化变形和残余应力可以为复合材料的结构和工艺设计提供调整依据,减小固化变形和残余应力。数值模拟方法因其简单、预测精度高而被广泛采用。本文主要介绍了复合材料固化变形和残余应力数值模拟流程中包含的热传导-固化模块、流动压实模块和应力变形模块。重点详述了应力变形模块中本构方程和模型-构件之间相互作用力研究的最新发展,为固化变形和残余应力预测提供方向和参考。简要讨论当前复合材料固化变形和残余应力预测的主要发展方向。     

基于形状记忆合金棒的自复位耗能装置数值分析

研发了一种基于形状记忆合金棒材的自复位耗能装置。通过对形状记忆合金棒进行循环拉伸试验,分析了SMA材料的超弹性性能与耗能能力,建立了SMA材料的分段线性伪弹性本构模型,与试验数据进行对比以验证其合理性;阐述了该装置的理论模型与耗能原理,并利用有限元分析软件进行了数值模型试验,分析结果表明:该自复位耗能装置在循环荷载作用下,具有稳定的滞回特性,且单位循环耗能量大,残余变形很小,表现出良好的自复位能力与耗能能力。     

复合材料残余应力和固化变形数值模拟及本构模型评价

为了评价不同固化本构模型,建立了预测复合材料构件残余应力/应变和固化变形的三维数值模型。该模型由热化学分析模块和热力分析模块构成,考虑了热化学耦合、材料性能的各向异性、化学收缩及黏弹性等因素。基于线弹性、黏弹性和Path-dependent三种典型的本构模型,预测了构件的残余应力/应变及固化变形。通过与试验结果对比,验证了所建数值模型的有效性,并重点研究了不同本构模型的适用性。结果表明,黏弹性本构模型最佳,对构件的残余应力/应变及固化变形的预测结果均较好; Path-dependent本构模型次之,对构件的残余应变和固化变形的预测结果较好,但对构件的残余应力的预测结果稍差;线弹性本构模型最差,除了对构件的残余应变和较薄构件的固化变形的预测结果较好外,其他预测结果都较差。     

冷变形和中温处理对TiNiCr形状记忆合金相变的影响

以TiNiCr形状记忆合金为研究对象,着重研究了不同的预变形、中温处理对该形状记忆合金相变的影响,通过示差扫描量热实验和金相组织照片的观察,研究了不同的预变形、中温处理对TiNiCr形状记忆合金的DSC曲线以及相变点的影响.实验表明:马氏体相转变温度Ms:随着冷变形量的增加先升高,当预变形超过15%后,相变点M随预变形...     

三维自由弯曲技术及变形区长度优化数值模拟研究

目的 开展自由弯曲变形区长度优化研究,获得外径为15 mm、壁厚为2 mm的6061-T6铝合金管材的最优A值。方法 从三维自由弯曲成形技术的基本原理及控制程序入手,基于有限元分析方法,利用ABAQUS仿真软件对管材三维自由弯曲成形过程进行数值模拟,研究成形过程中管材弯曲变形区的受力过程变化,分析变形区长度(A)对弯曲成形结果的影响规律。基于最优的变形区长度,对制冷系统管路中的6061-T6铝合金复杂空间弯曲构件进行仿真模拟及实际成形试验。结果 试验成形构件尺寸与模拟成形构件尺寸相近且均接近设计尺寸,试验成形构件最大壁厚减薄率不超过9%,最大截面畸变率不超过5%,具有较好的成形质量。结论 目标构件的有限元模拟及成形试验验证了变形区长度优化结果的准确性。     

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.