形状记忆合金电阻-应变模型

目的 利用热动力学电阻理论和拉伸试验,建立超弹性状态的形状记忆合金(SMA)电阻-应变模型.方法 在SMA热动力学电阻模型的基础上,采用数值分析和实验验证相结合的方法 ,创建了SMA超弹性分段线性化模型.在完成SMA单向拉伸试验的基础上,提取具有代表性的实验数据,验证电阻-应变模型的有效性.结果 得到电阻-应变试验曲线,并建立了曲线的数学表达式.结论 所提出的SMA电阻-应变模型与实验结果 吻合很好,可以有效地表达SMA超弹性电阻-应变之间的关系.     

偏动式形状记忆合金驱动器系统建模与仿真

为了实现响应速度快、精度高的偏动式形状记忆合金驱动器控制系统,基于Kanaka-Liang提出的形状记忆合金材料一维本构关系建立了偏动式SMA驱动器的热动力学模型.针对形状记忆合金材料的非线性迟滞特性,结合PID控制和模糊控制各自的优点,设计了一种模糊增益自调整PID复合控制器方案,并对偏动式形状记忆合金驱动器的响应特性进行了仿真.仿真结果表明,与PID控制器和模糊控制器相比,模糊增益自调整PID复合控制器具有响应快、超调小、适应性好等优点.模糊增益自调整PID控制策略完全能满足偏动式形状记忆合金驱动器对控制精度的要求.     

Aero-Elastic Flutter Characteristics of Laminated Composite Panel Embedded with Shape Memory Alloy Wires

超声速流中铺设形状记忆合金丝的复合材料壁板的

颤振研究

曹登庆¹,邵崇晖¹,许玉乾¹,赵海²

（1.哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

2.中国电子科技集团公司第二十九研究所,成都 610000）

创新点说明：

建立了分析铺设形状记忆合金丝的壁板颤振的新方法,并将此方法应用于研究形状记忆合金参数和安装角度对颤振抑制效果的影响。

研究目的：

研究超声速流中铺设形状记忆合金丝的复合材料壁板的颤振特性。分析了形状记忆合金的份数、预应变和温度对壁板临界颤振动压以及降低极限环幅值的影响。

研究方法：

采用von Karman大变形位移应变关系和三阶气动活塞理论描述壁板颤振模型中的几何非线性因素和气动非线性因素,基于Brison本构模型描述形状记忆合金丝的非线性恢复力,利用Hamilton原理建立超声速流中壁板的非线性运动微分方程。采用伽辽金离散法对所得的壁板偏微分运动方程进行空间离散,得到壁板的常微分运动方程组,最后采用Runge-Kutta法对壁板的动力学响应进行数值模拟。采用非线性动力学理论求解了壁板的临界颤振动压。

结果：

在复合材料层合板中铺设形状记忆合金丝可以提高壁板的临界颤振动压,形状记忆合金的最佳铺设角度是沿着气流来流方向。

结论：

通过加热形状记忆合金、增加其份数和预应变可以提高壁板的临界颤振动压,并且可以降低极限环颤振幅值。

关键词：壁板颤振,形状记忆合金,复合材料,极限环振动

     

偏心埋入SMA丝的悬臂梁弯曲变形分析及实验研究

将预拉伸的ＳＭＡ丝作为驱动器,偏心埋入复合材料悬臂梁内．建立了该梁受ＳＭＡ驱动发生变形的力学模型,分析了ＳＭＡ在不同加温阶段,由于其相变恢复力驱动该梁产生的静态变形,并进行了实验验证,实验结果与理论分析相吻合．     

形状记忆合金迟滞模型

基于实验测试,结合Preisach理论研究了形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)丝驱动器的迟滞建模。首先,依赖于SMA材料受输入电压作用引起的温升变化诱发材料相变输出位移量,设计了SMA丝特性测试平台,记录了驱动过程中的输入、输出变化量,得到理论模型参数辨识的数据集合。然后,讨论了SMA丝的输入电压、温度变化与形状记忆效应产生的材料宏观位移间的迟滞关系。最后,引入Preisach理论,由推导的经典Preisach理论的修正形式和数值实现方法构造了SMA驱动器温度量和位移的迟滞模型。结果表明:与试验数据比较,Matlab环境仿真得到的SMA迟滞曲线,匹配性较好,为进一步的系统设计分析奠定了基础。     

形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂建模与实验

针对传统机械臂在水下特殊环境中柔性不能满足应用需求的问题,在分析章鱼腕生物学肌肉组织结构的基础上,设计形状记忆合金（SMA）丝驱动的柔性机械臂.建立柔性机械臂的力学模型、SMA丝的热力学模型和本构模型.通过实验研究不同驱动电压和脉宽调制（PWM）方波的占空比对SMA丝电阻和柔性机械臂弯曲角度的影响.实验结果表明,柔性机械臂能够实现连续的柔性弯曲运动,最大弯曲角度为60°,驱动电压、PWM占空比、SMA电阻和柔性机械臂弯曲角度关系的实验结果与理论分析结果吻合较好.     

形状记忆合金驱动器的力学性能

基于形状记忆合金（ＳＭＡ）材料的Ｂｒｉｎｓｏｎ本构关系,研究了ＳＭＡ驱动器在自由冷却和强制冷却等两种热交换形式下的动力响应问题,探讨了ＳＭＡ丝在恒载及荷载变化时完成正逆相变所需用的时间．研究结果表明,热交换方式对完成相变时间有较大影响,并且增加散热面积和提高热交换速率均可有效地加速相变的完成．最后,本文还简单讨论了影响ＳＭＡ驱动器响应时间的几个因素和改进方法．     

角接触球轴承热力学耦合模型与分析方法

接触球轴承运行时,其力学性能与热态特性之间存在高度耦合与交互,轴承热预紧力在这一过程中起着桥梁连接作用。在研究角接触球轴承非线性力学性能与热效应耦合机制的过程中,分析了结合面接触热阻、油气润滑及周边组件换热等边界条件对轴承热态特性的影响,提出了一种角接触球轴承热力学耦合分析方法,并基于多软件协同计算平台建立了轴承热力学耦合模型。在轴承实验平台上,借助热巡检仪,利用轴承套表面开设的测温工艺孔实施了温度实验,对轴承热力学耦合模型的仿真计算结果进行了验证。该模型可用于预测角接触球轴承在不同转速下热预紧力的变化规律,分析比较热预紧力对轴承运行刚度的影响。     

钢管混凝土三维非线性梁单元的研究与应用

为研究钢管混凝土构件的力学性能.建立可承受压弯剪(扭)的三维钢管混凝土梁单元,用双线性随动硬化模型模拟外包钢管的本构关系,对核心受拉和受压混凝土采用不同的非线性材料特性.利用自行编制的程序,对各种钢管混凝土构件进行荷载-变形全过程分析,计算结果与试验数据符合较好.     

Deformation mechanism of hot spinning of NiTi shape memory alloy tube based on FEM

As a successively and locally plastic deformation process, ball spinning is applied to manufacturing thin-walled Nickel-Titanium shape memory alloy (NiTi SMA) tube at high temperature. NiTi SMA tube blank belongs to the as-cast state which consists of a lot of dendritic grains and a few equiaxed grains. The compression tests of NiTi SMA were carried out at various strain rates at high temperature in order to obtain the constitutive model of NiTi SMA. Because NiTi SMA is sensitive to the strain rates at high temperature, rigid-viscoplastic finite element method (FEM) is used to simulate ball spinning of thin-walled NiTi SMA tube in order to analyze the deformation behavior of ball spinning of NiTi SMA tube. Stress fields, strain fields as well as velocity fields is obtained by means of rigid-viscoplastic FEM, which lays the profound foundations for studying the metal flow rule in ball spinning and forming perfect spun NiTi SMA tube.     

钢管混凝土三维非线性梁单元的研究与应用

为研究钢管混凝土构件的力学性能。建立可承受压弯剪（扭）的三维钢管混凝土梁单元，用双线性随动硬化模型模拟外钢管的本构关系，对核心受拉和受压混凝土采用不同的非线性材料特性。利用自行编制的程序，对各种钢管混凝土构件荷载－变形全过程分析，计算结果与试验数据符合较好。     

形状记忆合金梁动力稳定性及混沌运动

研究了受轴向载荷的形状记忆合金梁的动力稳定性与混沌运动。基于形状记忆合金的热-机行为和拟弹性行为本构关系及梁的动力学平衡方程，建立了反映形状记忆合金梁横向振动的非线性动力学模型；用平衡态定性分析法讨论了梁动力稳定性与材料相转换间的关系；用数值仿真研究了梁的混沌行为与温度、载荷及阻尼间的关系。研究表明．梁的横向振动平衡态的稳定性与材料相的稳定性完全一致；在马氏体与奥氏体共存状态下．系统的混沌特性最强；系统的混沌特性随载荷的增加而增强．随阻尼的增加而减弱。     

Micromechanical analysis of interaction energy for SMA reinforced composite

The energy of the interaction between the matrix and the inclusions in shape memory alloy (SMA) reinforced composite is one of the most important and complicated parts in thermodynamic constitutive theory. In this paper, the interaction energy is derived based on the classical theory of micromechanics and the thermodynamic theory. The SMA composite is treated as three phases, namely the austenitic phase, the martensite phase and the matrix phase. The interaction among the three phases is analyzed in a way close to the fact. The present expression is used to calculate the interaction energy of a typical SMA composite with attentions paid to understand of the effects of the matrix material, the fiber geometry, and the fiber/matrix volume ratio. It is shown that the method developed in this paper is credible compared with the references. Some useful conclusions are obtained. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10772021 and 90205007)     

形状记忆合金对混凝土梁驱动效应的有限元分析

将常温下为马氏体状态的Ni—Ti形状记忆合金预拉伸到产生塑性变形后，再把其偏心埋置于钢筋混凝土梁中，利用SMA特殊的形状记忆效应，通过加热合金丝使其发生马氏体逆相变从而产生巨大的恢复力来驱动钢筋混凝土梁。本文运用通用有限元计算软件ANSYS进行了建模和分析，结果证明可以利用SMA对混凝土梁施加较大的预应力，提高梁的强度和刚度．从而实现变形的主动控制，     

Artificial neural network modeling of mechanical properties of armor steel under complex loading conditions

An artificial neural network (ANN) model is established to predict plastic flow behaviors of the 603 armor steel,based on experiments over wide ranges of strain rates ( 0.001 - 4 500 s -1 ) and tempera...     

基于扭转试验的大变形本构关系分析

研究采用实心圆轴扭转试验标定大变形弹塑性本构关系时客观应力导数的影响问题.给出了在实心圆轴扭转试验中,几种常用旋率的具体形式.应用等向强化的J2流动塑性理论,建立了以扭转试验的应力-应变曲线为基准的,分别由Oldroyd、广义Jaumann应力导数和相对于变形率标架旋率的应力导数表述的大变形弹塑性本构关系.所得各本构关系中的塑性刚度函数与由Jaumann客观应力导数给出的塑性刚度函数形式相同,说明用扭转试验标定大变形弹塑性本构关系时,塑性刚度函数不受客观应力导数的影响,本构形式相对稳定.     

Passive smart self-repairing concrete beams by using shape memory alloy wires and fibers containing adhesives

An innovative approach to increase structural survivability of concrete and maintain structural durability of concrete was developed in case of earthquakes and typhoons. This approach takes advantage of the superelastic effect of shape memory alloy（SMA） and the cohering characteristic of repairing adhesive. These SMA wires and brittle fibers containing adhesives were embedded into concrete beams during concrete casting to form smart reinforced concrete beams. The self-repairing capacity of smart concrete beams was investigated by three-point bending tests. The experimental results show that SMA wires add self-restoration capacity,the concrete beams recover almost completely after incurring an extremely large deflection and the cracks are closed almost completely by the recovery forces of SMA wires. The number or areas of SMA wires has no influence on the tendency of deformation during loading and the tendency of reversion by the superelasticity. The adhesives released from the broken-open fibers fill voids and cracks. The repaired damage enables continued function and prevents further degradation.     

形状记忆合金薄膜单轴拉伸行为的数值模拟

基于文献中报道的实验研究结果,利用Liang-Rogers模型对NiTi记忆合金薄膜等温单轴拉伸时的应力-应变曲线进行了模拟,并讨论了薄膜材料组分含量及温度对其拉伸性能的影响。通过模拟结果与实验测试结果的比较发现,除模拟得到的相变区间稍宽外,模拟曲线与实验测试曲线基本一致,表明Liang-Rogers模型可用于粗略地预测记忆合金薄膜的单轴拉伸行为。     

形状记忆合金超弹性的Preisach滞回模型

以形状记忆合金（SMA）单向拉伸试验结果为基础,建立其超弹性的Preisach滞回模型。以Preisach滞回理论为基础,采用数值分析和实验验证相结合的方法,创建了SMA超弹性一维滞回模型。SMA与普通材料相比,除具有独特的形状记忆效应（SME）以外,还具有独特的超弹性性质。利用这种非线性的超弹性设计的减振器、耗能器和阻尼器在工程界得到广泛的应用,已受到国内外研究学者的高度重视。在完成SMA应力-应变单向拉伸试验的基础上,提取两组具有代表性的实验数据,一组用于训练Preisach滞回模型,另一组用于验证所提出模型的有效性。用经训练的滞回模型计算出的应力-应变关系与实验结果吻合程度很好。所提出的SMA超弹性滞回模型,可以有效的表达SMA超弹性应力-应变关系。     

NiTi形状记忆合金应变传感特性分析

阐述了形状记忆合金丝的应变传感原理.在Brinson建立的形状记忆合金一维本构模型的基础上,引入Ikuta提出的电阻率与马氏体百分含量之间的关系并对其进行简化,建立了形状记忆合金应变传感特性的理论分析模型.分析了不同温度条件、不同初始状态的形状记忆合金电阻相对变化率与应变之间的关系.并与已有试验结果进行比较,验证了该模型的有效性.结果表明,形状记忆合金可以作为应变传感元件使用,温度对形状记忆合金的传感特性有影响,设计时要根据使用温度来确定形状记忆合金的相变温度.