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。     

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．     

考虑尺度效应的夹层楔形多孔梁动力学分析

基于修正偶应力理论, 研究了具有大范围旋转中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔柔性微梁系统的动力学特性.楔形梁是中间层为不完全功能梯度层, 两表层为均质材料的功能梯度夹层结构, 它可以减小传统夹层结构由于层与层之间材料属性的不同导致脱粘类型损伤的影响.采用假设模态法描述变形, 考虑具有捕捉动力刚化效应的非线性耦合项, 计及von Kármán几何非线性应变, 运用第二类Lagrange方程, 导出了适用于较大变形的高次刚柔耦合动力学方程.对在平面内做大范围运动的中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔微梁的动力学特性进行了详细研究.研究表明: 功能梯度夹层楔形梁表层结构高度、旋转角速度、功能梯度幂指数、尺度参数、孔隙度以及各层结构的体积分数对系统的动力学特性都有很大的影响; 功能梯度夹层楔形梁综合了功能梯度直梁和楔形梁的特性, 其相对于功能梯度直梁的固有频率增大, 同时使得孔隙度对结构固有频率变化趋势的影响不再与功能梯度直梁相同; 由于柔性梁变形能中具有横向与轴向的耦合势能, 系统在稳态下的平衡位置发生了迁移现象; 系统随着尺度参数的变化发生了频率转向与振型转换.      

考虑尺度效应的夹层楔形多孔梁动力学分析

基于修正偶应力理论,研究了具有大范围旋转中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔柔性微梁系统的动力学特性.楔形梁是中间层为不完全功能梯度层,两表层为均质材料的功能梯度夹层结构,它可以减小传统夹层结构由于层与层之间材料属性的不同导致脱粘类型损伤的影响.采用假设模态法描述变形,考虑具有捕捉动力刚化效应的非线性耦合项,计及von Karman几何非线性应变,运用第二类Lagrange方程,导出了适用于较大变形的高次刚柔耦合动力学方程.对在平面内做大范围运动的中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔微梁的动力学特性进行了详细研究.研究表明:功能梯度夹层楔形梁表层结构高度、旋转角速度、功能梯度幂指数、尺度参数、孔隙度以及各层结构的体积分数对系统的动力学特性都有很大的影响;功能梯度夹层楔形梁综合了功能梯度直梁和楔形梁的特性,其相对于功能梯度直梁的固有频率增大,同时使得孔隙度对结构固有频率变化趋势的影响不再与功能梯度直梁相同;由于柔性梁变形能中具有横向与轴向的耦合势能,系统在稳态下的平衡位置发生了迁移现象;系统随着尺度参数的变化发生了频率转向与振型转换.     

基于修正偶应力和高阶剪切变形理论的变截面微梁的自由振动

基于修正偶应力和高阶剪切理论建立了仅含有一个尺度参数的Reddy变截面微梁的自由振动模型,研究了变截面微梁自由振动问题的尺度效应和横向剪切变形对自振频率计算的影响。基于哈密顿原理推导了动力学方程与边界条件,并采用微分求积法求解了各种边界条件下的自振频率。算例结果表明,基于偶应力理论预测的变截面微梁的自振频率均大于经典梁理论的预测结果,即捕捉到了尺度效应。另外,梁的几何尺寸与尺度参数越接近,尺度效应就越明显,而梁的长细比越小,横向剪切变形对自振频率的影响就越明显。     

四边简支功能梯度圆锥壳的非线性振动分析

研究了四边简支条件下功能梯度圆锥壳的非线性自由振动。首先,通过Voigt模型和幂律分布模型描述了功能梯度材料的物理属性。然后,考虑von-Karman几何非线性建立了功能梯度圆锥壳的能量表达式,利用Hamilton原理推出圆锥壳的运动方程。在此基础上,采用Galerkin法,只考虑横向振动,功能梯度圆锥壳运动方程可简化为单自由度非线性振动微分方程。最后,通过改进的L-P法和Runge-Kutta法求解非线性振动方程,讨论功能梯度圆锥壳的非线性振动响应,分析几何参数和陶瓷体积分数指数对圆锥壳非线性频率响应的影响。结果表明,几何参数对非线性频率和响应的影响相较于陶瓷体积分数指数更明显;圆锥壳的几何参数和陶瓷体积分数指数通过改变非线性频率影响振动响应;功能梯度圆锥壳呈弹簧渐硬非线性振动特性。     

含尺度效应的功能梯度三明治微梁振动、弯曲与屈曲特性研究

基于修正的应变梯度理论和精化的高阶剪切变形理论,提出了一种含尺度效应的功能梯度三明治微梁模型。功能梯度材料的等效弹性参数由Mori-Tanaka均匀化方法描述。针对微梁的高阶边值问题,融合微分求积和Gauss-Lobatto求积准则,建立了一种2节点18自由度的微分求积有限元。通过对比性研究,验证了理论及数值模型的有效性。最后,讨论了边界条件、材料尺度参数、功能梯度指数、长细比、各层厚度比等对功能梯度三明治微梁静动态特性的影响。结果表明,功能梯度三明治微梁的静力响应、振动频率、屈曲荷载以及模态均呈现出显著的尺度效应,所得结果有望为微机电系统中承载器件的设计提供数据积累和方法依据。     

基于精化锯齿理论的功能梯度夹心微板静弯曲模型

基于精化锯齿理论和新修正偶应力理论,建立了能够准确预测功能梯度夹心微板挠度、位移和应力的静弯曲模型。为了描述微板不同方向上的尺度效应,将两个正交材料尺度参数引入本文模型。以受双向正弦载荷作用的简支板为例,探究了夹心微板弯曲行为中尺度效应对结构刚度的影响。算例结果表明,当微板几何参数与材料尺度参数接近时,基于本文模型所测微板的最大弯曲挠度、局部位移和应力均小于传统精化锯齿理论给出的结果,捕捉到了尺度效应;尺度效应随着微板几何尺寸的增大而逐渐减弱,当微板几何尺寸远大于材料尺度参数时,尺度效应消失。此外,板的跨厚比和功能梯度变化指数也会对尺度效应产生一定影响。     

静电驱动下微观曲梁的非线性动力学特性研究

研究微机电系统中微结构的动力学特性,对确保微机电系统的稳定运行具有重要的意义。以直流、交流电压作用下的微观曲梁为研究对象,采用Euler-Bernoulli梁模型、Galerkin数值离散方法,在考虑主共振的情况下使用多尺度法研究了两端固支微梁的非线性动力学特性和可能出现的跳跃、吸合现象。结果表明:直流、交流电压越大,阻尼值越小,系统表现出更强的非线性特性;系统对交流电荷载作用下的振动响应相对于直流电荷载更加敏感;随着曲梁拱形高度的增加,系统会依次出现软化和硬化两种不同的行为;系统在分岔点附近可能出现跳跃现象。研究结果可为合理选取物理参数和控制系统振动行为提供参考。     

碳纳米管增强复合材料圆锥薄壳非线性自由振动

考虑碳纳米管复合材料作为功能梯度材料的不均匀性,基于连续介质理论以及哈密尔顿变分原理,建立了功能梯度碳纳米管增强复合材料开口圆锥薄壳结构的非线性运动偏微分控制方程,然后利用Galerkin法,将非线性偏微分控制方程转化为常微分控制方程,进而采用谐波平衡法求解了开口圆锥壳的非线性自由振动问题,并探讨了圆锥薄壳几何参数、碳纳米管参数对结构非线性自由振动的影响．数值研究表明结构的无量纲非线性自由振动频率与线性自由振动频率的比值随圆锥薄壳长厚比的增大而变小、并随圆锥角的增大而变大．     

Nonlinear dynamics and chaos in coupled shape memory oscillators

Shape memory and pseudoelastic effects are thermomechanical phenomena associated with martensitic phase transformations, presented by shape memory alloys. This contribution concerns with the dynamical response of coupled shape memory oscillators. Equations of motion are formulated by assuming a polynomial constitutive model to describe the restitution force of the oscillators and, since they are associated with a five-dimensional system, the analysis is performed by splitting the state space in subspaces. Free and forced vibrations are analyzed showing different kinds of responses. Periodic, quasi-periodic, chaos and hyperchaos are all possible in this system. Numerical investigations show interesting and complex behaviors. Dynamical jumps in free vibration and amplitude variation when temperature characteristics are changed are some examples. This article also shown some characteristics related to chaos–hyperchaos transition.     

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.      

Large amplitude free vibration analysis of thermally post-buckled composite doubly curved panel embedded with SMA fibers

Thermal post-buckled vibration of laminated composite doubly curved panel embedded with shape memory alloy (SMA) fiber is investigated and presented in this article. The geometry matrix and the nonlinear stiffness matrices are derived using Green–Lagrange type nonlinear kinematics in the framework of higher order shear deformation theory. In addition to that, material nonlinearity in shape memory alloy due to thermal load is incorporated by the marching technique. The developed mathematical model is discretized using a nonlinear finite element model and the sets of nonlinear governing equations are obtained using Hamilton’s principle. The equations are solved using the direct iterative method. The effect of nonlinearity both in geometric and material have been studied using the developed model and compared with those published literature. Effect of various geometric parameters such as thickness ratio, amplitude ratio, lamination scheme, support condition, prestrains of SMA, and volume fractions of SMA on the nonlinear free vibration behavior of thermally post-buckled composite flat/curved panel been studied in detail and reported.     

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。     

低应变速率下形状记忆合金的特性实验研究

形状记忆合金以其特有的形状记忆效应和超弹性,被广泛应用于医学、航空和建筑防震。在耗能性机构中,需要形状记忆合金能够在变速率条件下工作。为了获得非静态条件下的行为特性,比较静态和非静态条件下形状记忆合金的行为特性的差异,本文采用一种新的分析方法,即以形状记忆合金的特性参数为对象,来分析不同应变速率对形状记忆合金特性的影响。在不同的应变速率(0.0005/s,0.001/s,0.005/s,0.01/s,0.05/s,0.1/s)下,对50.8at%-Ni-Ti记忆合金丝的形状记忆效应和超弹性特性进行了实验研究。在低应变速率范围内,由实验结果得到:随应变速率增大,两种特性行为中的各纯相的杨氏模量保持不变;拉伸过程相变起始和终了临界应力会增大,卸载过程相变起始和终了临界应力会减小,滞后环面积增大;相变硬化系数在形状记忆效应行为中会增大,而在超弹性行为中基本不变。     

Force-displacement characteristics of simply supported beam laminated with shape memory alloys

As a preliminary step in the nonlinear design of shape memory alloy(SMA) composite structures,the force-displacement characteristics of the SMA layer are studied.The bilinear hysteretic model is adopted to describe the constitutive relationship of SMA material.Under the assumption that there is no point of SMA layer finishing martensitic phase transformation during the loading and unloading process,the generalized restoring force generated by SMA layer is deduced for the case that the simply supported beam vibrates in its first mode.The generalized force is expressed as piecewise-nonlinear hysteretic function of the beam transverse displacement.Furthermore the energy dissipated by SMA layer during one period is obtained by integration,then its dependencies are discussed on the vibration amplitude and the SMA’s strain(Ms-Strain) value at the beginning of martensitic phase transformation.It is shown that SMA’s energy dissipating capacity is proportional to the stiffness difference of bilinear model and nonlinearly dependent on Ms-Strain.The increasing rate of the dissipating capacity gradually reduces with the amplitude increasing.The condition corresponding to the maximum dissipating capacity is deduced for given value of the vibration amplitude.The obtained results are helpful for designing beams laminated with shape memory alloys.     

梯度纳米晶NiTi形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应相场模拟

通过建立考虑两个马氏体变体的二维相场模型,对梯度纳米晶镍钛(NiTi)合金系统的超弹性、单程和应力辅助双程形状记忆过程进行了模拟和预测.模拟结果显示: 在梯度纳米晶NiTi合金的超弹性过程中,较粗晶粒的区域保留了传统粗晶的马氏体相变和逆相变特征,即局部马氏体带的形核-扩展和缩减-消失, 而随着晶粒尺寸的减小,细晶粒区域表现为均匀相变的特点, 即无局部马氏体带产生; 此外,在超弹性和形状记忆过程中,马氏体相变和重取向都首先在较粗晶粒区域开始并逐步向细晶粒区域传播,而逆相变则相反.马氏体相变和重取向的逐步扩展使梯度纳米晶NiTi合金的应力-应变和应变-温度曲线呈现出“硬化状”,其可归因于纳米多晶NiTi合金中马氏体相变对晶粒尺寸的依赖性,即随着晶粒尺寸的减小, 相变或重取向壁垒逐渐增大,马氏体相变或重取向的形核、扩展越来越困难. 可见,梯度纳米晶结构具有比传统均匀晶粒尺寸NiTi合金更宽的相变应力区间、重取向应力区间和相变温度区间,可显著提高该合金非弹性变形的可控性.