一种修正的形状记忆合金本构模型数值算法及应用

采用Hughes-Winget算法修正了已有文献所发展的考虑塑性和相变耦合效应的形状记忆合金(SMA)本构模型的积分算法,使其能适用于发生较大转动变形的问题。据此编制了ABAQUS用户子程序UMAT,对SMA弹簧拉伸和"三点弯"等发生较大转动的问题进行了模拟。结果表明,修正算法可减小结构在发生较大转动变形时采用小变形本构模型计算带来的误差,提高计算过程的收敛速度与稳定性。采用本文的修正算法模拟了Ni Ti SMA的大变形拉伸伪弹性和塑性、SMA板的大挠度弯曲伪弹性和SMA弹簧的大变形拉伸伪弹性行为,结果与试验和其他研究者的计算结果吻合较好,证明了该修正算法的有效性。     

形状记忆合金混杂复合材料薄壁梁主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型.基于变分渐近法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测.基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式.由该文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程.在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果.通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量、驱动温度和复合材料铺层角的影响.     

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.     

ARB过程中β钛基SMA显微结构演化及对其超弹性能的影响

本文采用复合轧制（Accumulative Roll-Bonding,ARB）工艺对β钛基形状记忆合金(SMA)进行轧制,然后700℃下快速热处理（保温5min）。利用光学显微镜（OM）和X射线衍射仪（XRD）对合金轧制热处理前后合金相组成与显微组织进行分析,并用电子万能试验机对轧制试样的力学性能和超弹性能进行测试。研究了β钛基形状记忆合金复合轧制过程中显微结构演化规律及对其超弹性能的影响。结果表明：复合轧制工艺能有效细化合金晶粒,经过轧制8道次、700℃/5min快速热处理可得到全β相合金组织,其晶粒尺寸1μm;复合轧制处理后合金的超弹性能得到了改善,在预变形为6%时,其回复变形为5.94%,回复率为99%,表现出稳定的超弹性。     

旋转SMA纤维混杂复合材料薄壁梁的自由振动

研究具有SMA主动纤维的旋转复合材料单闭室薄壁截面梁的耦合自由振动问题.基于Hamilton原理并结合SMA纤维复合材料薄壁梁的二维截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,导出旋转单闭室截面薄壁复合材料梁的1D耦合自由振动分析模型.该模型还考虑薄壁梁调矩角和预锥角的作用.采用Galerkin法求解振动模型,获得梁耦合振动...     

纳米Al2O3填充环氧树脂复合材料的摩擦学性能

研究了干摩擦条件下纳米Al2O3微粒含量及其表面改性处理对环氧树脂基复合材料滑动摩擦磨损性能的影响.结果表明，经过表面化学接枝处理后，少量的纳米Al2O3(体积分数约0．24％)即可大幅度提高环氧树脂的摩擦磨损性能，起到显著的减摩和耐磨作用．复合材料的热变形稳定性、显微硬度及磨损表面形貌分析结果表明，对纳米Al2O3微粒进行适当的表面处理有利于加强纳米微粒同基体树脂的结合，从而改善复合材料的摩擦学性能．     

ARB过程中β钛基SMA显微结构演化及对其超弹性能的影响

本文采用复合轧制（Accumulative Roll-Bonding，ARB）工艺对β钛基形状记忆合金(SMA)进行轧制，然后700℃下快速热处理（保温5min）。利用光学显微镜（OM）和X射线衍射仪（XRD）对合金轧制热处理前后合金相组成与显微组织进行分析，并用电子万能试验机对轧制试样的力学性能和超弹性能进行测试。研究了β钛基形状记忆合金复合轧制过程中显微结构演化规律及对其超弹性能的影响。结果表明：复合轧制工艺能有效细化合金晶粒，经过轧制8道次、700℃/5min快速热处理可得到全β相合金组织，其晶粒尺寸1μm；复合轧制处理后合金的超弹性能得到了改善，在预变形为6%时，其回复变形为5.94%，回复率为99%，表现出稳定的超弹性。     

形状记忆合金伪弹性行为模拟

基于对伪弹性形状记忆合金(SMA)典型应力-应变曲线的特征分析,在原Graesser本构模型中增加简洁多项式来描述SMA应力诱发马氏体相变完成后在变形马氏体相下继续加载阶段的变形特征;并引入应变幅值与混相下SMA弹性模量的关系来改进不同应变幅值下卸载时SMA的应力-应变关系,从而提出了一种新的SMA一维本构关系模拟其伪弹性力学行为。该模型对直径为0.5mm的NiTi合金丝的拉伸加载、卸载试验曲线的模拟结果表明:改进本构模型与原Graesser模型相比,其能够准确地模拟SMA在不同应变幅值下加载和卸载应力-应变关系。此外,通过研究SMA本构模型的物理关系,推导出了控制SMA滞回曲线特征的关键参数fT与相变临界应力、弹性常数之间的明确关系,可利用该关系直接确定参数fT,摆脱了只靠试算获取该参数的传统做法,其准确性得到了试验验证。     

预压下锆基块体非晶合金的热冲击变形与破坏

实验研究了不同预压载荷与加热速率下Zr51Ti5Ni10Cu25Al9块体非晶合金的失效温度和破坏规律, 发现预压力和温升率较低时, 随着温度的升高, 材料强度减小, 样品最后发生塑性变形; 预压力和温升率较高时样品则发生剪切断裂, 且发生剪切破坏时样品的温度高于其玻璃化转变温度.基于变温条件下的结构弛豫模型, 分析了块体非晶合金在快速加热条件下的变形过程,给出了材料发生屈服时的温度与温升率、预压力与屈服温度之间的相互关系, 并得出了实验结果的拟合关系式. 对回收样品断裂面进行分析, 发现了与恒温压缩断裂明显不同的断裂特征. 最后分析了预压载荷下快速加热过程中上述材料发生剪切破坏的临界条件.      

考虑表面效应的形状记忆合金纳米梁弯曲特性研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMAs)因其具有形状记忆效应和超弹性,在航空航天、生物医疗、微机电系统领域中得到了广泛的应用．当微结构尺度达到微纳米,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的．本文基于梁弯曲变形理论以及Gurtin-Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对于SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的SMA纳米梁相变力学模型．分析了弯曲载荷、温度、表面残余应力以及表面弹性模量对SMA纳米梁力学性能的影响规律．研究表明在SMA纳米梁相变阶段,忽略和考虑表面效应所得的截面应力及应变相对误差较为明显;在相同弯矩下,随温度的增加SMA纳米梁的截面应力随之增加,并且表面效应对其影响有减小趋势;表面残余应力对SMA纳米梁的影响显著．该文研究结果为SMA纳米梁在微机电领域的设计以及应用提供了一定基础与依据．     

热处理对Al-Si-Cu合金力学性能、显微组织与磨损性能的影响

研究了不同热处理条件下Al-Si-Cu合金的力学性能、显微组织及磨损性能.结果表明:与铸态合金相比,T6态合金的晶粒最为细小,Si、Al2Cu和Al Fe Mn Si第二相尺寸变小、变圆整且分布均匀,其力学性能和耐磨性能最好.当载荷小于500 N时,T6态和铸淬态合金的耐磨性能相当,二者表现为磨粒磨损;载荷为500~1 000 N时,Si相受水平方向塑性流变应力作用均匀分布在磨面表面,改善了润滑效果使摩擦系数降低,虽然开始向黏着磨损机制转变,但合金仍保持了较好的耐磨性能;载荷大于1 000 N时,Si相和Al2Cu相周围出现了微裂纹和严重的撕裂状的塑性变形,摩擦系数增大,逐步向剥层磨损转变,合金耐磨性能显著下降.     

形状记忆合金纤维复合材料薄壁梁的主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型。基于变分渐进法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力（矩）与位移（转角）关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测。基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式。由本文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程。在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果。通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量与初始应变、驱动温度和复合材料铺层角的影响。     

沉淀对A1-Cu—Mg合金中锯齿形屈服现象影响及其微观实验研究

经固溶处理的A1-Cu—Mg合金在常应变率拉伸实验中具有显著的锯齿形屈服现象，且屈服行为随固溶处理温度的改变而呈现不同的特征。塑性变形特性与合金材料的微细观结构，尤其是位错运动的演化密切相关。本文运用透射电子显微镜，研究在不同温度下固溶处理的Al—Cu—Mg合金的微观结构，尤其是析出颗粒的大小和含量。并结合宏观的拉伸实验结果，分析Al—Cu—Mg合金动态应变时效的机制。     

内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料电滑动磨损性能的研究

采用内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料,在自制电磨损试验机上评价Al2O3/Cu复合材料的磨损性能,采用扫描电子显微镜观察Al2O3/Cu复合材料的磨损表面形貌,用能谱仪对其磨损表面主要元素进行分析并探讨其磨损机制.结果表明:在相同试验条件下,Al2O3/Cu复合材料的磨损性能明显优于Cu-0.36Cr-0.06Zr合金,Cu-0.36Cr-0.06Zr合金的磨损率较0.40%Al2O3 /Cu复合材料的磨损率高1倍多;在无加载电流条件下,Al2O3/Cu复合材料的磨损机制为粘着磨损和磨粒磨损;在载流条件下其磨损机制主要以粘着磨损为主,并随着电流强度的增加,粘着磨损程度加重,Al2O3/Cu复合材料表面的粘着物主要来自于铜基粉末冶金滑块;Cu-Cr-Zr合金在无加载电流条件下的磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损,在载流条件下主要为粘着磨损、磨粒磨损及电烧蚀磨损.     

基于数字图像相关技术的轻骨料混凝土早龄期细观收缩实验研究

利用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,对早龄期轻骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete, LWAC)在细观层面上的收缩现象开展实验研究,以探索其早龄期的收缩变形规律。具体实验方法为,在3种不同的水灰比条件下,分别比较骨料是否预湿对收缩变形的影响;使用DIC技术对LWAC的收缩变形进行观测,获得LWAC表面早龄期全场应变的演变过程。结果表明,预湿处理能够对轻骨料产生内养护的作用,从而减少混凝土早龄期的收缩变形;随着水灰比的增大,内养护的效果并不会随之增强,而是表现出先升后降的趋势,在水灰比为0.40时内养护效果最佳;在早龄期骨料与砂浆两部分的最小主应变没有表现出始终一致的变化趋势,而是在一定时间段内相互背离。     

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。     

石墨对三氧化二铝/铜金属陶瓷复合材料摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金技术制备了Al2O3／Cu石墨复合材料；采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了石墨对Al2O3／Cu基金属陶瓷复合材料摩擦磨损性能和硬度的影响；采用扫描电子显微镜分析了复合材料磨损表面形貌．结果表明：Al2O3／Cu基复合材料的摩擦系数随石墨含量的增加而降低，当石墨含量大于1.0％后，摩擦系数降低明显；当石墨含量低于3％时，Al2O3／Cu基复合材料的磨损体积损失随石墨含量的增加而降低；当石墨含量低于2．0％时，石墨对Al2O3／Cu基复合材料的硬度无明显影响；当石墨含量超过3．0％后，Al2O3／Cu基复合材料的硬度随石墨含量的增加迅速降低；此外，石墨使得Al2O3／Cu基复合材料磨损表面的微裂纹减少、裂纹长度缩短；当石墨含量达到2．5％时，复合材料磨损表面微裂纹消失．这是由于石墨在磨损表面形成固体润滑膜，从而降低摩擦力并减少裂纹源所致．     

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.      

Al含量对FeCrNiCoCu高熵合金涂层组织结构及冲蚀性能的影响

采用放电等离子烧结(SPS)制备不同Al含量的Al_xFeCrNiCoCu(x=0,1,2,3)高熵合金涂层.通过XRD、SEM和冲蚀磨损等检测方法,研究了Al含量对该高熵合金涂层的组织及冲蚀磨损性能的影响.结果表明:FeCrNiCoCu高熵合金的微观组织主要为简单FCC结构的富Cu相及富Al相.随着Al元素增加,涂层的微观结构出现由FCC向BCC的转变.同时,涂层的硬度、耐冲蚀性也显著提高.随着冲蚀角度的增加,涂层的冲蚀磨损量逐渐增加,表现出脆性材料的冲蚀磨损特性.在冲蚀角度为90°时,随着Al元素的增加,涂层的主要冲蚀磨损机理逐渐由微切削和锻造挤压转变为犁削.     

考虑界面行为的SMA纤维复合材料模型

构造了一个考虑部分界面开脱情况下SMA长纤维复合材料的双圆柱模型.在理想界面区域SMA纤维所受的轴力恒定,而在开脱区域则考虑为受线性变化轴力.计算结果表明,开脱区长度及临界界面剪应力只对SMA纤维的相变区有很明显的影响,而对母相及马氏体相的弹性变形区没有影响.这对进一步研究SMA纤维增强复合材料的性能提供理论帮助.