形状记忆合金在复合材料损伤修复中的应用

复合材料的内部裂纹会使其性能下降甚至失效,为了解决这一问题,本文选择将形状记忆合金(SMA)应用在复合材料中用以实现损伤修复.将SMA埋入复合材料试件中,通过对SMA回复应力、复合材料损伤应变与温度之间的关系进行讨论,建立不同条件下复合材料的损伤修复理论模型.基于该模型讨论了不同初始条件下SMA材料的损伤修复行为.研究...     

基于超弹性特性的SMA复合材料层合板低速冲击损伤数值模拟方法

基于ABAQUS有限元软件结合VC++6.0程序设计,建立了含不同铺层角度、不同排列密度形状记忆合金(SMA)纤维的复合材料层合板有限元模型。将基于Brinson本构模型的SMA分段线性超弹性模型以及判断复合材料层内失效的三维HASHIN失效准则编译至ABAQUS/VUMAT子程序,使用界面单元模拟复合材料层间区域,建立了SMA复合材料层合板的低速冲击损伤及冲击后剩余强度数值模拟方法。对比了不含SMA纤维层合板、含SMA纤维层合板、含普通金属丝层合板在不同冲击能量下的损伤响应。进一步分析了SMA纤维体积分数和直径变化对冲击响应的影响。冲击后剩余压缩强度模拟结果表明:冲击能量为16J时,含体积分数25%、直径0.5mm的SMA纤维层合板的冲击后剩余压缩强度相比不含SMA纤维层合板提高5.78%、相比含普通金属丝层合板提高4.69%。随着SMA纤维体积分数提高,层合板的抗低速冲击能力增强,当体积分数一定时,较细的(0.3mm)SMA纤维比粗的(0.6mm)SMA纤维对层合板的抗低速冲击能力增强效果更好。     

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.     

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。      

SMA纤维复合材料变截面板簧固有频率特性研究

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料变截面板簧的固有频率特性.基于Brinson本构模型,讨论了SMA的受限回复特性.在建立具有SMA纤维的各向异性层合梁本构方程的基础上,利用瑞利-里兹能量法求板簧的固有频率,并给出板簧固有频率的表达式.应用MATLAB进行数值计算,得到板簧固有频率与温度、铺层角、SMA含量的关系曲线,揭示了形状记忆合金纤维复合材料变截面板簧的固有频率可调节机理.     

反复荷载作用下碳纤维复合材料力电性能试验研究

碳纤维及其复合材料已广泛应用于土木工程领域,本文针对手工浸渍的环氧树脂基碳纤维布复合材料在反复荷载作用下的力电性能进行了系统的试验研究和分析.研究表明,在反复荷载作用下该类型复合材料的电阻变化率与应变关系曲线表现出与单调荷载作用下不同的新的特征.本文通过对试验结果的分析,进一步验证和深化了对碳纤维复合材料导电机理的认识,为进一步研究土木工程中环氧树脂基碳纤维复合材料的力电性能以及发展可实际应用的地震损伤自监测智能结构奠定了基础.     

HIPS/SMA/CG-ATH纳米复合材料性能研究

采用熔融共混法制备出了高抗冲聚苯乙烯(HIPS)/苯乙烯接枝马来酸酐(SMA)/CG-ATH纳米复合材料,研究了SMA的加入量对复合材料阻燃性能、力学性能和界面粘结性能的影响.结果表明,SMA的加入可以提高复合材料的阻燃性能、拉伸性能和弯曲性能,但对复合材料冲击性能的提高没有产生明显的效果;SMA的加入有助于强化纳米CG-ATH在HIPS基体中的分散性及其与HIPS基体间的界面粘结性.     

SMA纤维混杂复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有频率

研究SMA纤维驱动下的复合材料箱型薄壁悬臂梁的固有振动频率特性。根据作者提出的SMA主动纤维复合材料箱型悬臂梁的横截面二维分析模型,采用Hamilton原理导出具有拉伸-扭转-弯曲变形耦合的梁的自由振动偏微分方程组。由上述一般的弹性耦合振动方程出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置等特殊情形,并且给出拉伸-扭转耦合、弯曲-扭转耦合固有振动频率的精确解。通过数值计算,分析了SMA纤维在激活状态下对复合材料箱型薄壁悬臂梁固有频率的影响机理。     

织物结构对复合材料力学性能影响的试验研究

为探讨不同结构形式织物对复合材料力学性能的影响及其损伤破坏机制之间的差异,通过宏观拉压试验,研究了经编及平纹碳纤维织物增强树脂基复合材料的拉伸及压缩力学性能,并利用声发射对试验过程进行实时监测,对破坏后的断口进行显微镜观察分析,分别给出了两种材料的拉伸和压缩破坏机制.研究结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,与经编织物复合材料相比,平纹织物复合材料的拉伸、压缩强度均较低,且其拉伸、压缩破坏试样的断口相对齐平,分层现象不明显;根据声发射监测结果可以判定两种复合材料损伤过程中的损伤类型,与经编织物相比,平纹织物复合材料拉/压过程中的声发射电压信号相对稳定且整体强度较低.     

基于声发射检测技术的PE/PE自增强复合材料破损机理分析

用声发射(AE)技术研究了聚乙烯自增强复合材料的拉伸损伤与断裂行为.宽带传感器记录了不同角度纤维铺层的复合材料试样在拉伸破坏过程中的声发射信号,用扫描电子显微镜(SEM)观察了试样的几种典型的损伤破坏断面,对比分析了不同类型的损伤机制.实验分析表明,拉伸过程中破坏机制对声发射信号的特征具有显著影响,不同损伤模式的信号频谱特征存在明显的差异.声发射检测能有效提取热塑性复合材料损伤破坏信息,在材料的结构损伤主动监测中有良好的应用潜力.     

基于电阻信号的CFRP纤维断裂识别实验及理论模型

碳纤维是决定CFRP复合材料性能的主要因素之一,因此为保证复合材料结构的健康状态、识别纤维的损伤与断裂就显得至为关键。文中通过加载电流并采集电阻信号的方式来识别CFRP复合材料中碳纤维的健康状态,通过实验和理论分析的方法进行了深入研究。实验针对2种不同铺层的试件进行测量:单向层合板[0]8和正交层合板[0/90]4。对试件端部进行了粘接铜箔处理以使试件稳定导电,使用KEITULEY2700数据采集仪测量试件电阻。实验内容包括静态电阻测量、拉伸受力状态下材料的电阻特性分析,并建立和推导了电阻-应变理论分析模型,进行了通电疲劳实验。研究结果表明,碳纤维的铺层角度对CFRP结构电阻有较大影响,[0]8铺层材料电导率和破坏强度约为[0/90]4铺层材料的2倍;CFRP材料受外载荷作用时,损伤程度与其电阻变化有对应的关系,其电阻信号变化可以作为反映材料损伤情况和识别纤维断裂的主要参数;实验结果与所建立的电阻-应变模型拟合结果吻合较好。文中研究的CFRP纤维断裂识别和航空复合材料结构健康监控及实时监测具有重要的意义。     

复合相变蓄热材料研究进展

相变材料是目前热门的功能材料,在储存和释放能量的过程中,温度保持不变或稳定在一定的温度区间内,使得相变材料不仅能实现热量储存且具有温度调控功能。复合相变材料由于具有多种单一材料的性质而成为研究热点,并广泛应用在建筑节能、电子器件热管理等方面。本文分类归纳了相变材料的特征,并根据化学成分不同将复合相变蓄热材料分为有机-有机、无机-无机和有机-无机三大类,结合研究现状分类梳理了不同类型复合相变蓄热材料的优缺点,并对其蓄热特性进行归纳对比。总结了复合相变蓄热材料的应用现状,结合能源应用现状和环境情况进一步分析了今后的研究和发展方向,认为未来的复合相变材料应该是高效蓄热、灵敏准确、价格低廉、环保可降解的新型复合相变材料。     

应用小波分析及主动监测技术的复合材料损伤监测

用小波分析作为信号处理工具能将对被分析信号进行更细致分析,获得比傅立叶分析更多的信号特征。本文研究采用主动监测技术,利用压电传感器及驱动器对结构进行实时大面积监测,同时引入先进信号处理方法一小波分析对检测信号进行的频局部化处理,提取同损伤相联系的特征。     

Finite element simulation of low velocity impact on shape memory alloy composite plates

Delamination of composite materials due to low velocity impacts is one of the major failure types of aerospace composite structures. The low velocity impact may not immediately induce any visible damage on the surface of structures whilst the stiffness and compressive strength of the structures can decrease dramatically.

Shape memory alloy (SMA) materials possess unique mechanical and thermal properties compared with conventional materials. Many studies have shown that shape memory alloy wires can absorb a lot of the energy during the impact due to their superelastic and hysteretic behaviour. The superelastic effect is due to reversible stress induced transformation from austenite to martensite. If a stress is applied to the alloy in the austenitic state, large deformation strains can be obtained and stress induced martensite is formed. Upon removal of the stress, the martensite reverts to its austenitic parent phase and the SMA undergoes a large hysteresis loop and a large recoverable strain is obtained. This large strain energy absorption capability can be used to improve the impact tolerance of composites. By embedding superelastic shape memory alloys into a composite structure, impact damage can be reduced quite significantly.

This article investigates the impact damage behaviour of carbon fiber/epoxy composite plates embedded with superelastic shape memory alloys wires. The results show that for low velocity impact, embedding SMA wires into composites increase the damage resistance of the composites when compared to conventional composites structures.     

有机相变蓄冷材料的研究进展

本文概述了有机相变蓄冷材料和有机-无机复合相变蓄冷材料的研究进展,探讨了采用公式指导低共融物相变蓄冷材料配比和提高有机相变材料导热能力的方法,介绍了相变材料在太阳能利用、电力的峰谷平衡、空调节能与冷藏运输等方面的应用研究。指出相变材料的性能特性、相变机理、传热理论模型及复合技术是有机相变蓄冷材料研究的重点内容,有机复合相变蓄冷材料是今后有机相变材料的重点发展方向。     

模糊评价法表征复合材料层合板低能量冲击行为

通过模糊综合评判的方式,建立复合材料低能量冲击表面损伤与其失效的数学判据。复合材料受到冲击后的表面损伤是冲击程度最直观的表现,因此,对复合材料冲击行为的分析,应基于其表面损伤来进行。本研究选择的观测工具为超景深显微镜,观测、探究了复合材料试样受到冲击后的表面损伤情况,建立损伤程度与材料冲击门槛值之间的数值关系。经实验验证,该数值关系可以精确判断材料是否失效。同时也验证了不同厚度的复合材料,其失效时的表面损伤有某些共同特性,本文给出的判据可以在树脂基复合材料中通用。     

Vibration characteristics of laminated composite plates with embedded shape memory alloys

Shape memory alloy (SMA) is commercially available for a variety of actuator and damping materials. Recently, SMA wires have also become commercially available for the design of smart composite structures because SMA wires with a small diameter can be easily produced. In this work, two types of SMA-based composites are presented for investigating the vibration characteristics. First, laminated composite plates containing unidirectional fine SMA wires are fabricated. By measuring the vibration mode of a clamped cantilever, the influence of both SMA arrangement and temperature on the vibration characteristics is made clear. Next, laminated composite plates with embedded woven SMA layer are fabricated. The stiffness tuning capability is evaluated by impact vibration tests with different temperatures. It is found that the stiffness tuning capability may be improved by increasing the volume fraction of SMAs and by controlling accurately the internal stress according to the phase transformation temperature of SMAs from martensite to austenite. The theoretical prediction on the natural frequency considering the SMAs behavior and laminated structures is proposed and their results agree reasonably with experimental ones.     

SMA混杂复合材料单层的被动阻尼

由形状记忆合金纤维、普通纤维、基体构成的混杂复合材料是一类用途广泛的智能材料结构系统。阻尼性能研究是结构被动振动控制的一项重要研究内容。本文采用混杂复合材料阻尼预测的细观力学理论计算SMA纤维混杂复合材料单层的阻尼特性。首先计算包含普通纤维和基体材料的复合材料介质的阻尼性能,其次计算由横观各向同性介质和SMA纤维构成的混杂材料的阻尼性能。通过计算实例分析SMA纤维混杂复合材料单层的正轴阻尼特性及其偏轴阻尼的特性随SMA纤维体积含量、纤维铺设角等参数改变的规律。     

SMA增容ABS/PBT共混体系的形态和力学性能——共混过程对体系的影响

以苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)为增容剂,研究了共混工艺对ABS/PBT共混物聚集态结构和力学性能的影响。结果表明,SMA先与ABS共混再与PBT共混,共混物的分散相尺寸最小、分布最均匀,优于SMA先与PBT共混再与ABS共混的方法。ABS与PBT共混物的相容性差,加入反应性相容剂SMA后,PBT分散相尺寸变小且均匀地分散于ABS中,显著改善了ABS/PBT共混物的冲击、拉伸性能。共混物的聚集态结构强烈地受共混工艺的影响。     

基于孔尺度的泡沫金属强化相变储热材料传热性能数值模拟

导热系数低是影响相变储热材料应用的主要难题之一,而泡沫金属具有高热导率、高孔隙率以及高比表面积等特性,在相变材料中添加泡沫金属可实现强化传热。该文基于泡沫金属基3D微观结构W-P模型,重点分析了泡沫金属基复合相变材料有效导热系数与泡沫金属孔隙率以及孔径的关系,采用数值模拟方法利用该模型预测并验证了泡沫铝6101添加空气与水的有效导热系数,研究结果表明该模型能够精确预测泡沫金属材料有效导热系数,在此基础上预测了石蜡中添加泡沫铜的有效导热系数,结果表明,泡沫金属可以显著提高相变材料的导热系数,当泡沫铜的孔隙率为97.57%时,复合相变材料的导热系数与纯石蜡相比提高了13倍。研究结果对于相变储热材料的热物性强化研究具有一定参考价值。