NiTi合金材料力学性能的测试与分析

采用一种新型的形状记忆合金(SMA)性能综合测试系统,对NiTi合金丝相变过程中的有关力学性能和电学性能进行测试与分析,得到其自由状态下的相变温度,约束状态下回复力随温度增加的曲线及其超弹性迟滞回线.为智能结构中SMA元件的设计提供参考和依据.     

形状记忆合金的宏观力学本构模型

结合作者提出的形状记忆因子的概念,阐述了形状记忆合金（SMA）超弹性和形状记忆效应的微观机理,将SMA的超弹性和形状记忆效应统一归结为形状记忆效应.重新定义了形状记忆因子,并明确了其物理意义.利用SMA在相变过程中马氏体体积分数和相变自由能间的微分关系,建立了描述SMA相变行为的形状记忆演化方程.该形状记忆演化方程能同时考虑相变峰值温度、相变开始和结束温度对SMA相变行为的影响,并能描述SMA从孪晶马氏体向非孪晶马氏体的转变过程,克服了现存SMA相变方程或形状记忆方程的局限性,能更全面准确地描述SMA的相变行为.从宏观力学角度,建立了能全面描述SMA实现形状记忆效应的热力学本构方程,在假设SMA为各向同性材料的基础上,将该本构方程从一维推广到三维.该本构方程中的所有材料参数都可以通过宏观实验测定,比现存三维本构方程更便于工程实际应用.     

考虑温度记忆效应的形状记忆合金本构模型

近年来在形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）中发现的由于不完全马氏体逆相变引起的温度记忆效应,在智能材料与结构等领域具有潜在的应用价值,建立克服现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应这一局限性的SMA本构模型具有理论和工程实际意义．本文在前期研究的基础上,基于作者提出的形状记忆因子的概念,综合运用热力学、连续介质力学和马氏体相变学的相关理论,建立了描述SMA的形状记忆因子、应力、温度间关系的形状记忆方程和描述SMA的应变、应力、温度间关系的力学本构方程．由形状记忆方程和力学本构方程构成的SMA本构模型,克服了现存SMA本构模型不能考虑SMA温度记忆效应的局限性．数值结果表明,该SMA本构模型能有效描述经历不完全马氏体逆相变的SMA的热力学行为,可为SMA温度记忆效应的应用研究提供理论基础．     

形状记忆合金混凝土轴心构件的变形特性

将形状记忆合金(SMA)轴心埋置于混凝土构件中,着重研究SMA使轴心构件产生预应力和变形的性能及影响驱动效果的主要因素。在试验基础上,对SMA在周围混凝土约束下的本构模型进行了理论探索。研究表明:SMA在加热逆相变过程中可以实现对混凝土轴心构件施加预应力,可以控制混凝土构件的变形;初始预应变值及通电激励模式对变形性能或预应力效果有影响。     

考虑次迟滞环的内嵌式SMA电机非线性模型

引入量化指标——马氏体份数来描述形状记忆合金的相变程度．基于马氏体份数，构建了可充分定义主、次级迟滞环的非线性分析模型．该模型采用两个指数方程分别计算加热和冷却条件下SMA的马氏体份数，由连续、共初始与共极限约束宴时调整指数方程的相应参数，得到SMA相变时的马氏体份数．由内嵌式SMA电机曲率与SMA马氏体份数的线性变化规律，得到内嵌式SMA电机的弯曲曲率．P1控制的阶跃响应的仿真与实验结果验证了模型的有效性和准确性．     

相变防护服的数值研究

利用简化传热模型，以皮肤表面温度为参考，研究了相变防护服在0℃海水及火场两种极端条件下的防护性能与相变材料的潜热、熔点及厚度的关系．研究发现相变防护服在极端温度条件下具有良好的防护性能，可大大延长相关人员的作业时间；所选相变材料的熔点和潜热对相变防护服的性能有重要影响，潜热大且熔点高的相变材料的防护性能好；在重量允许的范围内相变防护服的性能随厚度的增加有明显提高．     

基于K-型热电偶与热成像仪的SMA丝温度精确测量研究

由于形状记忆合金(SMA)丝相变过程中潜热效应的影响以及环境温度、驱动参数强度的不同,传统的热电偶测温方法无法精确测量SMA丝在加热过程中的真实温度,对SMA丝的实时驱动控制造成了极大的困难。为了精确测量SMA丝的实时温度,提出了一种基于红外热像仪校准的热电偶测温方法。实验结果与理论分析吻合良好。     

温拌无纤维SBS改性沥青SMA混合料的高温性能

温拌无纤维SMA混合料是一种绿色环保材料。通过析漏试验和车辙试验评价了温拌无纤维SBS改性沥青SMA混合料的力学性能。结果表明,温拌剂仅降低混合料的施工温度。在较低碾压温度下,无纤维的SMA混合料不会出现泛油现象。但是,在路面使用温度下,由于未添加纤维,混合料的高温抗变形性能较差。因此,与常规热拌添加纤维的SBS改性沥青SMA混合料相比,对于温拌无纤维SBS改性沥青SMA混合料,需要降低0.3%～0.5%的沥青用量,以提高混合料的高温抗变形性能。     

非对称铺设SMA层的复合材料梁在热荷载作用下的变形分析

基于几何非线性理论,提出一类偏心铺设的形状记忆合金(SMA)复合材料梁的数学模型,建立梁在温度载荷作用下的非线性弯曲控制方程,应用打靶法进行数值求解,得到均匀加热下两端不可移简支SMA层合梁的热弯曲数值解.给出具体算例的平衡构形和平衡路径,并分析和讨论SMA的几何和物理参数对梁变形的影响.结果表明梁在升温的一开始就发生变形,升温过程中随着SMA的相变,变形趋势加剧,通过改变SMA的几何、物理参数可以调整梁的变形.     

温度变化对TiNi超弹丝传感性能的影响

为探讨温度变化对TiNi超弹丝传感性能的影响，测试了TiNi超丝分别在恒应力、恒应变状态变温试验过程中的应变－电阻－温度、应力－电阻－温度关系曲线，分析了其力学及电阻特性的变化机理。结果表明，与初始状态为未完成马氏体相变的情况相比，在初始状态已诱发完成马氏体相变的恒应力或恒应变条件下，TiNi超弹丝的电阻受温度变化的影响较小，且与温度呈近似线性关系，降温与升温过程的电阻特性滞后极小。     

超弹性NiTi丝力学性能试验研究

本文对NiTi形状记忆合金丝的超弹性性能进行了试验研究,验证其用于被动控制装置的可行性。研究了常温下加载速率、应变幅值、循环次数等加载工况对形状记忆合金的相变应力、耗能能力、变形模量、等效阻尼比及残余应变等力学性能参数的影响规律。试验分析结果表明,NiTi丝具有良好的耗能性能、较大的可恢复变形,是制作被动阻尼器装置的良好材料。为进一步开发新型SMA被动阻尼器奠定了基础。     

超弹性形状记忆合金简化多维本构模型

建立简单有效的多维本构模型是形状记忆合金(SMA)工程应用的关键问题之一.在NiTi形状记忆合金丝拉伸实验的基础上,根据Brison模型的相变动力学方程,得出了相变应力与加载条件的关系. 借助线性化方法,建立了SMA超弹性简化一维本构模型;基于塑性理论,将马氏体体积分数作为状态变量之一,推导了SMA超弹性简化多维本构模型,应用该模型对超弹性SMA进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较.分析结果表明:理论模型曲线与实验曲线接近,理论模型能够较为准确地模拟形状记忆合金的屈服机制和耗能能力.该本构模型可以用于模拟复杂荷载条件下的SMA超弹性特性.     

新型SMA-粘滞阻尼器的试验研究

 研究了常温下NiTi形状记忆合金（SMA）丝的超弹性性能以及在不同加载频率下的滞回性能,获得了其力学参数;基于NiTi SMA丝和成品粘滞阻尼器设计研制了一种新型SMA-粘滞阻尼器,并通过试验研究了SMA-粘滞阻尼器加载频率与耗能能力、等效阻尼比、等效刚度间的关系。研究结果表明,所研制的SMA-粘滞阻尼器具有优良的耗能能力,适合于长周期结构的振动控制。     

NiTi形状记忆合金的性能测试

研究了Φ0.5mm、Φ0.2mm的NiTi记忆合金丝的制备工艺,并对其进行了力学—热学性能的测试,得到了应力、应变、温度和相变相互之间的函数关系曲线,为NiTi记忆合金丝在自适应结构中的应用奠定了基础。     

多晶镍钛形状记忆合金相变伪弹性特性的研究

利用四光束云纹干涉法对多晶镍钛形状记忆合金拉伸过程中的马氏体与奥氏体相互相转变以及相界面传播的现象进行了研究.从云纹图可看到,形状记忆合金发生相变时,奥氏体与马氏体的分布以及两相的界面附近的位移场分布.利用材料试验机(MTS Sintech 10/D)获得多晶镍钛形状记忆合金的应力-应变特性;通过云纹图能够发现多晶镍钛形状记忆合金拉伸过程中马氏体的发生、生长和传播规律.结果表明,云纹干涉法可以用来研究形状记忆合金的相变,且结果直观、可靠。     

镍钛形状记忆合金管滚珠热旋压成形数值模拟

为了获得高性能、高质量的镍钛形状记忆合金薄壁管,尝试采用滚珠热旋压方法进行镍钛形状记忆合金管的成形．通过采用刚粘塑性有限元法对镍钛形状记忆合金管进行滚珠热旋压成形模拟,获得了镍钛形状记忆合金管坯在不同初始温度下的温度场、应力场和应变场,并进行了旋压载荷的预测．模拟结果表明,旋压件主变形区的温升可达100℃以上,故不宜选择太高的旋压初始温度;旋压成形时主变形区处于三向压应力状态,这将有利于提高材料的塑性,从而实现更大程度的塑性变形;主变形区的等效应力和等效应变数值均由外壁到内壁逐渐减小,说明旋压成形时管坯的外壁比内壁更容易满足塑性屈服准则;随着旋压温度的升高,各方向的旋压载荷均呈下降趋势,轴向载荷远远小于径向载荷和切向载荷．     

粘弹基形状记忆合金复合梁的弯曲

用有限元法对环氧基形状记忆合金复合梁的弯曲问题进行了建模和分析，并通过实验验证了理论分析结果，研究发现，由热粘弹性分析得到的结果与实验结果吻合较好，而由热弹性分析得到的结果与实验结果差异较大，由此说明，对于环氧基SMA复合材料，由于激活SMA时温度对环氧基体的影响较大，适合于用热弹性理论精确分析其整体响应。     

一种形状记忆合金丝驱动的微小型六足机器人

为解决有限空间中形状记忆合金（ＳＭＡ）丝驱动的转动关节臂输出角位移不足的问题,提出了两种方法：①减小关节的回转半径,用富余的输出力补偿输出角位移的不足;②在三维可用空间中布置ＳＭＡ丝,增大ＳＭＡ丝的长度,开发了一种ＳＭＡ丝驱动的六足步行机器人,机器人的肢体布局和结构符合仿生学原理,轮廓尺寸为２５ｍｍ＊２５ｍｍ＊２５ｍｍ。并介绍了一种实用该机器人静步态行走的控制策略。     

基于SMA智能复合棒的新型驱动器研究

提出了一种新型的基于偏心内嵌SMA丝复合弹性棒的驱动器结构,推导了复合弹性棒的三维变形描述方程式,应用SMA丝和弹性棒的界面连续性原理,求解棒和丝的平衡方程式,得到了两者的合力和合力矩,将三维方程应用于SMA丝平行轴线嵌入圆直棒的特定情形,得到二维的简化式,设计和制作了基于新型驱动器的多指机械手,实验结果进一步验证了弹性棒变形理论。     

形状记忆合金及其工程应用

简述了形状记忆合金的发展历史及Cu基、NiTi和Fe基3类典型形状记忆合金的特点.介绍了形状记忆合金工程应用现状并展望了未来.