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.     

形状记忆聚合物的宏观力学本构模型

建立有效描述形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）的热力学行为、且便于工程应用的宏观力学本构模型具有理论和工程意义.在前期研究的基础上,应用固体力学和热黏弹性理论建立了描述复杂应力状态下SMP在实现形状记忆效应热力学过程中,即在高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程中热力学行为的宏观力学三维本构方程.利用DMA实验结果,建立了描述SMP在玻璃体转化过程中,材料参数和温度间关系的材料参数方程.应用所建立的力学本构方程和材料参数方程,数值模拟了SMP的高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程,并分析了加载率和温度变化率对SMP热力学行为的影响.数值模拟结果和与现存SMP力学本构方程和材料参数方程的对比表明,本文建立的由力学本构方程和材料参数方程构成的SMP宏观力学三维本构模型,能有效地描述SMP的热力学行为,可为SMP的工程应用提供理论基础.     

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.     

形状记忆合金的一种基于热力学定律的本构模型

在Tanaka本构理论、Liang-Rogers本构理论以及Brinson本构理论的基础上,应用热力学定律,结合差示扫描量热仪(DSC)的实验数据,经理论推导给出了一种描述形状记忆合金相变过程中应力、应变、温度以及马氏体体积分数相互耦合的唯像本构模型,并在形状记忆合金的几种典型的物理状态下和经典的理论模型进行了对比性研究.结果表明,所提出的基于热力学定律的本构模型和经典的Liang-Rogers理论保持了较好的一致性.     

热载荷作用下非对称支承嵌入SMA丝复合材料弹性梁的横向自由振动

基于形状记忆合金Brinson一维热力学本构方程,建立了热载荷作用下嵌入SMA丝复合材料梁的一维热弹性本构关系.利用横向微幅自由振动的特征方程,求解了一端不可移简支一端固定约束条件下梁在均匀升温过程中的线性振动响应,获得了嵌入SMA丝复合材料弹性梁的前四阶固有频率随温度变化的特征关系曲线.结果表明,形状记忆合金丝相变过程中的回复应力和弹性模量的变化对梁的各阶固有频率均有影响,是实现梁自振频率主动控制的一种方法.     

Fe-Mn-Si基合金中ε马氏体逆相变的内耗

利用音频内耗仪测试了Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓｉ基形状记忆合金热诱发马氏体、一般应力诱发马氏体和热－机械训练后的应力诱发马氏体的逆相变过程．结果表明，热诱发马氏体的逆相变在４００～５００Ｋ完成；经训练后的应力诱发马氏体逆相变开始温度与热诱发马氏体逆相变开始温度相近，但高于一般应力诱发马氏体的逆相变开始温度；一般应力诱发马氏体的逆相变温度低于热马氏体的逆相变温度，随应变量的增加，Ａｓ降低     

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．     

一种新的超弹性形状记忆合金本构模型

Graesser模型以应力-应变增率形式表述了形状记忆合金(SMA)本构关系,具有形式简单、能反映SMA动态力学特性的优点;但忽略了加载路径对模型参数的影响,造成预测误差.依据超弹性SMA的拉伸试验结果,在Graesser模型基础上提出了改进模型:将滞回曲线分为加荷阶段、卸荷至马氏体逆相变完成阶段、母相弹性卸荷阶段三部分,每部分采用各自的参数.数值模拟比较表明:改进模型能很好地捕捉超弹性SMA在静荷下的应力-应变特征,在一定程度上反映加荷速率对其滞回性的影响,且较Graesser模型具有更高的预测精度.     

一类双相钢循环特性的研究

基于热力学相容的本构模型，通过合理地定义广义内摩擦力，发展了可以描述具有固结相间残余应力特性的一类复杂双相钢的本构方程。其遗传积分中考虑了塑性应变状态的影响，因而能够宏观地反映这一类双相材料的基本特征，所发展的构本方程包含了内时塑性本构方程和Bower 等的经验公式为其简化结果。给出了背应力的积分形式和增量形式以及增量型本构方程，对OHFC铜和铁轨钢DBS11的循环特性进行了分析，与实验结果的比较表明所发展的模型具有较强的预言能力。     

Fe-Mn-Si基合金fcc反铁磁与马氏体相变

采用电阻和内耗分析测定了不同Ｍｎ含量Ｆｅ－Ｍｎ－Ｓｉ基形状记忆合金（ＳＭＡ）相变临界点Ｍｓ、Ｍｆ、Ａｓ、Ａｆ和ＴＮ,研究了母相反铁磁状态时γε马氏体相变热诱发和应力诱发的影响．发现,随着Ｍｎ含量的增加,Ｍｓ、Ｍｆ、Ａｓ、Ａｆ降低,而ＴＮ升高直至热马氏体完全被抑制．当ＴＮ接近Ｍｓ时,母相反铁磁状态并不能完全抑制马氏体相变,而是使相变温区延伸到ＴＮ以下达－１５０°Ｃ的低温．即使热马氏体完全被抑制后应力仍然可以大量诱发马氏体相变,显示形状记忆效应（ＳＭＥ）．这时应力诱发马氏体（ＳＩＭ）的相对数量可由逆相变内耗峰的面积来评定．     

热机载荷下形状记忆合金梁超静定问题分析

基于梁的弯曲变形理论及形状记忆合金材料的应力-应变关系,在考虑形状记忆合金材料相变临界应力与临界温度关系的情况下,分析了形状记忆合金超静定梁在非纯弯曲条件下的非线性力学行为.为了直观描述梁在拉压两侧相变的不对称性,引入拉压不对称系数,分析了各相变阶段横截面上的应力分布,通过求解平衡方程,得到了横截面中性轴位移、曲率以及相边界沿轴向的变化情况.结果表明:随着温度的升高,曲率减小;相边界不对称性越明显;中性轴最大位移在梁上的位置随之改变,且最大位移值不变.     

TiNi形状记忆合金回复力模型

通过修正Clausius Clapeyron方程 ,使之在马氏体分数不断变化的条件下仍然适用 ,并在此基础上建立了TiNi形状记忆合金的回复力模型 ,模型中的参数均可通过实验确定 .利用此模型 ,使用典型的TiNi形状记忆合金性能参数 ,计算得到了TiNi形状记忆合金回复力与温度的关系曲线 ;与实验测试曲线的对比表明 ,本模型在大的预应变条件下与实验结果是吻合的     

镍钛形状记忆合金管材的研究进展

镍钛形状记忆合金管材因为具有良好的形状记忆效应和超弹性而在工程领域得到了广泛的应用.文章总结了国内外众多学者的研究成果,系统介绍了镍钛形状记忆合金管材的加载力学行为、塑性成形方法和典型工程应用.镍钛形状记忆合金管材在单向拉伸加载、单向扭转加载以及拉伸扭转复合加载方式下表现出了不同的力学行为.奥氏体镍钛形状记忆合金管材在单向拉伸加载下,可以观察到明显的应力诱发马氏体螺旋带.镍钛形状记忆合金管材的塑性成形方法主要有拉拔、挤压和旋压,拉拔工艺仍是目前生产镍钛形状记忆合金管材的主要手段.镍钛形状记忆合金管材的典型工程应用主要有生物医用支架和管接头.镍钛形状记忆合金管材在科学研究和工程应用方面仍具有广阔的发展空间.     

形状记忆合金耗能阻尼器的阻尼特性理论分析

研究了形状记忆合金记忆效应和相变伪弹性的热力学特性，并依据热力学本构关系建立了形状记忆合金耗能阻尼器的热力学平衡方程，利用MATLAB编制的仿真软件对NiTi丝阻尼器的一个实例进行了仿真计算。计算结果表明形状记忆合金具有明显的阻尼特性，适用用于制作结构振动控制的阻尼器件。     

复杂应力状态下SMA热力学方程的求解

建立了在复杂应力状态下的热力学本构关系，并针对纯剪状态下的具体问题建立了热力学非线性方程的求解方法。利用MATLAB编写的数值计算程序，对形状记忆合金耗能弹簧进行了实例计算。结果表明，所建立的方法适用于热力学方程的求解，具有较好的适用性。     

SMA耗能弹簧的阻尼性能研究

形状记忆合金在伪弹性状态具有较好的阻尼特性，利用这一性能制作的弹簧可以用于结构的耗能被动振动控制和共振频率的滤波．文章在建立复杂应力状态下热力学本构关系的基础上，针对纯剪状态下的具体问题建立了热力学非线性方程的求解方法，并对SMA耗能弹簧的耗能性能进行了研究．为了验证上述方法的正确性，利用编写的计算机程序进行了实例计算．结果表明，文中建立的方法适用干热力学方程的求解，形状记忆合金耗能弹簧具有较好的阻尼性能．     

随机振动下镍钛形状记忆合金管接头的疲劳寿命分析

针对管路系统中Ni-Ti合金管接头随机振动问题进行了随机振动疲劳寿命分析.以某飞机典型液压管路中的Ni-Ti合金管接头为研究对象,采用基于高斯分布和Mine线性累计损伤定律的Steinberg法,得到了疲劳损伤的计算公式.基于描述Ni-Ti形状记忆合金超弹性和记忆效应的本构模型,建立了管接头有限元模型,进行模态分析和随机振动响应分析,并利用疲劳损伤的计算公式预测结构的疲劳寿命.结果表明:Ni-Ti形状记忆合金管接头在80 000 h的飞行寿命内是安全可靠的,为管接头的设计和优化提供了理论参考.