SMA智能混凝土材料裂缝修复机理及试验研究

混凝土结构的裂缝产生与扩张一直是土木工程领域亟待解决的难点问题之一。本文将形状记忆合金（SMA）材料植入混凝土材料中，构成一种基于SMA驱动的智能混凝土材料。由于形状记忆合金具有伪弹性，在混凝土产生裂缝的同时SMA将会产生回复力，阻碍裂缝的产生和扩展，根据SMA的形状记忆效应，在材料产生裂缝后对材料进行加热，其回复力将会起到修复裂缝的作用。文章分别对SMA智能混凝土材料的裂缝修复机理和裂缝修复试验进行研究，讨论了不同尺寸试件的裂缝修复过程和裂缝修复程度。本文研究可为形状记忆合金智能混凝土材料的进一步优化设计和工程应用提供理论指导。     

SMA智能混凝土材料裂缝监测与修复机理和试验研究

混凝土材料的裂缝产生与扩张一直是土木工程领域亟待解决的难点问题之一.论文将形状记忆合金(SMA)材料植入混凝土材料中,构成一种基于SMA驱动的智能混凝土材料.通过对SMA材料的电阻变化和混凝土裂缝大小的关系进行讨论,建立了SMA智能混凝土材料的裂缝监测理论模型;对SMA试件在初始状态为奥氏体情况下所展示的形状记忆效应进行理论和试验分析,给出了SMA智能混凝土材料的裂缝修复理论模型;最后通过试验测试,讨论了不同尺寸试件的裂缝修复过程和裂缝修复程度.论文研究可为形状记忆合金智能混凝土材料的进一步优化设计和工程应用提供理论指导.     

NiTi形状记忆合金丝力学性能试验研究

形状记忆合金(SMA)是一种具有多种特性的新兴功能材料,其力学性能与材料本身的元素组成比例、应力状态以及周围的环境温度等有着复杂的关系．本文选用某金属开发有限公司生产的镍钛SMA为研究对象,对12组48根奥氏体状态下形状记忆合金丝试件进行力学性能试验,通过改变电流、加载幅值、加载速率、循环次数和直径等主要试验参数,研究了形状记忆合金材料的力学特性．结果表明：加载幅值和加载速率是影响奥氏体SMA材料力学性能的主要参数．     

SMA本构模型及其应用的研究进展

形状记忆合金(SMA)是一类应用前景广阔的智能材料系统, 其最基本的宏观响应特性是在不同温度和应力条件下的相变超弹性和形状记忆特性.近年来, 形状记忆合金本构模型发展迅速, 其在工程结构振动控制领域中的研究和应用也得到了广泛地关注.与此同时, 许多学者将SMA用于当前迅速发展的智能材料结构,发展了一系列SMA复合材料本构模型, 成为目前SMA的应用研究的热点.本文针对形状记忆合金本构模型的发展状况, 首先回顾了近年来常用的和新发展的SMA本构模型, 并根据其包含的力学特点和基本理论将其进行了比较归类, 分析了各类模型特点和适用范围;其次从微/宏观角度介绍了有广阔应用前景的SMA智能复合材料的本构模型的发展状况;接着简要的综述了几类较为实用的SMA本构模型在实现结构的主/被控制、变形控制及结构裂纹诊断与控制等方面的应用现状.最后对目前本构模型的发展趋势、工程应用问题提出了一些看法和展望.      

形状记忆合金力学行为与应用综述

本文对形状记忆合金的特性、本构模型及其在不同领域中的应用进行了综述。分析了形状记忆合金材料和力学特性及其在智能结构中的应用。介绍了现有微观、介观和宏观本构模型描述形状记忆合金热力学行为的方法和特点。详细阐述了形状记忆合金在不同领域的应用现状,特别总结了结构优化技术在提升智能结构性能方面的应用,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,并对其在智能结构中的关键技术与未来发展方向进行了探讨。     

轴向运动SMA层合梁的主共振分析

研究了均布横向载荷作用下轴向运动SMA(形状记忆合金)层合梁的横向非线性振动。考虑轴向运动效应、轴力等因素的综合影响,利用力平衡条件、变形协调方程及SMA多项式函数的本构关系,建立了SMA层合梁在均布横向载荷作用下的动力学方程。针对两端简支边界条件,通过伽辽金积分得到了轴向运动SMA层合梁横向振动微分方程。应用平均法得到了横向载荷作用下系统主共振幅频响应方程,对理论结果进行了数值验证;分析了轴向运动速度、温度、激励参数对系统稳态响应的影响。结果表明:轴向速度、轴向载荷的变化只对系统共振频率产生影响;在外激励幅值较大时,温度增加和SMA层增厚对系统产生了相同的减振效果。     

混凝土裂缝的仿生自修复研究与进展

混凝土仿生自修复是根据生物体损伤修复的原理, 在混凝土传统组分中复 合特殊组分使其具有自修复功能, 当混凝土材料出现损伤或裂缝时, 自动触发修复反应使其 愈合, 恢复甚至提高开裂部分的强度, 从而提高整个结构的性能. 混凝土自修复系 统将免去有效的监听和外部修补所需的高额费用, 节省建筑结构运行费用, 且大大有利于建筑结构的 安全性和耐久性. 本文在简要介绍生物体损伤修复原理的基础上, 总结了两种混凝土自 修复技术与方法; 综述了国内外有关裂缝自修复混凝土的研究现状; 分析了仿 生自修复方法中所存在的问题及其实用价值, 展望了其发展趋势和应用前景; 最后, 指出需 进一步研究的方向.     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高,且性能稳定,在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析,基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型,据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料(UMAT)子程序;利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算,与实验结果的对比验证了计算结果的有效性;在SMA波纹板原始结构基础上,提出了SMA短带错落布置型新结构,并进行了数值模拟分析与验证;提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施,可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高，且性能稳定，在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析，基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型，据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料（UMAT）子程序；利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算，与实验结果的对比验证了计算结果的有效性；在SMA波纹板原始结构基础上，提出了SMA短带错落布置型新结构，并进行了数值模拟分析与验证；提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施，可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

基于OpenSees平台的SMA被动阻尼器及其在斜拉桥减震中的应用

基于OpenSees平台编制形状记忆合金SMA(Shape Memory Alloys)可恢复材料的本构关系模型,并将其加入OpenSees材料库;提出一种SMA阻尼器,并将其安装在斜拉桥桥塔与主梁之间,通过数值分析研究SMA阻尼器初始刚度、屈服后刚度以及卸屈比变化对其减震性能的影响;进一步对比不同体系斜拉桥的破坏模式,分析SMA阻尼器对料拉桥抗震性能的改善,以及SMA阻尼器对斜拉桥残余变形的自恢复效果.     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

用于振动、冲击和噪声控制的SMA智能复合材料结构

本文简要叙述SMA智能复合材料结构的基本概念,介绍其分析和求解的基本力学原理和方法,重点展示其在三个主要应用研究领域,包括振动控制、噪声控制及抗低速冲击的最新进展,并对存在问题和未来的发展给予评述．     

基于材料相变的声子晶体带隙可调结构设计与性能分析

提出一种基于材料相变的穿孔型带隙可调声子晶体结构.其结构形式为含缝隙的形状记忆合金和环氧树脂的组合体,通过温度变化诱发相变引起的形状记忆合金材料性质的变化,实现声子晶体的带隙变化;通过合理布置缝隙与形状记忆合金相变材料的位置,实现声子晶体带隙性质的可调设计.基于有限元方法,建立了可调声子晶体的分析模型,分析了形状记忆合金的填充分数以及相变等对带隙性能的影响规律.分析结果表明,通过合理设计微结构形式,材料相变可实现带隙位置和宽度的调节,同时可实现特定频段内带隙的有无.     

TiNi形状记忆合金变形特性实验研究

给出了一种ＴｉＮｉ形状记忆合金（多晶）的单轴拉压、循环拉伸加卸载、形状记忆效果、恢复力、相变塑性变形及拉压。扭转比例、非比例加卸载的实验结果，实验结果显示，其变形特性非常不同于普通的弹塑性材料：如Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效果提前，甚至于会出现于卸载阶段；低温下的残余变形会在加热后消失；恒载下冷却时产生相当大的塑性变形（相变塑性变形）且在加热时消失等等。多轴加载实验结果表明，比例加载时该材料的加载屈服面及卸载屈服面都基本满足Ｍｉｓｅｓ准则，但非比例加载时则不然。     

铁磁形状记忆合金的力学行为研究进展

铁磁形状记忆合金是一种新型的多功能材料,它除了具有传统的温控和应力控制记忆合金的一般特点外, 还可以在磁场的作用下输出应变,极大地拓展了传统的形状记忆合金应用前景.材料力学行为的研究是材料得以广泛应用的前提.本文对铁磁形状记忆合金力学行为的研究文献进行了综述,着重介绍了铁磁形状记忆合金力学行为的研究现状, 系统阐述了晶体的成分、磁场强度、外应力以及温度等因素对力学行为的影响,并概述了铁磁形状记忆合金本构模型的研究进展.      

基于尺寸效应的FG-SMA微梁非线性自由振动特性研究

形状记忆合金具有相变温度低、输出应力高、能耗小、驱动电压低、可恢复应变大、生物相容性好等特性。随着形状记忆合金制备技术的进一步发展，有学者提出将功能梯度形状记忆合金材料用于微机电系统等智能微结构，将使其具有更优良的特性。因此开展机电多场耦合功能梯度形状记忆合金微结构的非线性自由振动特性研究具有重要研究价值。本文基于冯卡门几何非线性理论，综合考虑静电力和分子间作用力的影响，考虑尺寸效应，基于修正偶应力理论，建立两端固定的功能梯度形状记忆合金微梁模型，对功能梯度形状记忆合金微梁相变前后的机电耦合非线性自由振动问题进行深入研究，分析了尺寸效应参数、几何结构参数和相变参数等对功能梯度形状记忆合金微梁自由振动特性的影响。     

基于尺寸效应的FG-SMA微梁非线性自由振动特性研究

形状记忆合金具有相变温度低、输出应力高、能耗小、驱动电压低、可恢复应变大、生物相容性好等特性。随着形状记忆合金制备技术的进一步发展,有学者提出将功能梯度形状记忆合金材料用于微机电系统等智能微结构,将使其具有更优良的特性。因此开展机电多场耦合功能梯度形状记忆合金微结构的非线性自由振动特性研究具有重要研究价值。本文基于冯卡门几何非线性理论,综合考虑静电力和分子间作用力的影响,考虑尺寸效应,基于修正偶应力理论,建立两端固定的功能梯度形状记忆合金微梁模型,对功能梯度形状记忆合金微梁相变前后的机电耦合非线性自由振动问题进行深入研究,分析了尺寸效应参数、几何结构参数和相变参数等对功能梯度形状记忆合金微梁自由振动特性的影响。     

On the transformation toughening of a crack along an interface between a shape memory alloy and an isotropic medium

In this study, a bilinear cohesive zone model is employed to describe the transformation toughening behavior of a slowly propagating crack along an interface between a shape memory alloy and a linear elastic or elasto-plastic isotropic material. Small scale transformation zones and plane strain conditions are assumed. The crack growth is numerically simulated within a finite element scheme and its transformation toughening is obtained by means of resistance curves. It is found that the choice of the cohesive strength t₀ and the stress intensity factor phase angle φ greatly influence the toughening behavior of the bimaterial. The presented methodology is generalized for the case of an interface crack between a fiber reinforced shape memory alloy composite and a linear elastic, isotropic material. The effect of the cohesive strength t₀, as well as the fiber volume fraction are examined.     

应力作用下NiTi形状记忆合金微结构演化的相场模拟及其本征应变率敏感性

基于Ginzburg-Landau动力学控制方程建立了NiTi形状记忆合金非等温相场模型,实现了对NiTi合金内应力诱导马氏体相变的数值模拟。同时将晶界能密度引入系统局部自由能密度,从而考虑多晶系统中晶界的重要作用。数值计算了单晶和多晶NiTi形状记忆合金在单轴机械载荷作用下微结构的动态演化过程和宏观力学行为,并重点研究了晶粒尺寸为60 nm的NiTi纳米多晶在低应变率下（0.0005～15 s?1）力学行为的本征应变率敏感性。研究结果表明,单晶NiTi合金系统高温拉伸-卸载过程中马氏体相变均匀发生,未形成奥氏体-马氏体界面。而纳米多晶系统在加载阶段出现了马氏体带的形成-扩展现象,在卸载阶段出现了马氏体带的收缩-消失现象。相同外载作用过程中,NiTi单晶系统的宏观应力-应变曲线具有更大的滞回环面积,拥有更优的超弹性变形能力。计算结果显示,在中低应变率下纳米晶NiTi形状记忆合金应力-应变关系表现出较明显的应变率相关性,应变率升高导致材料相变应力提升。这一应变率相关性主要源于相场模型中外加载荷速率与马氏体空间演化速度的相互竞争关系。