TiNi相变悬臂梁的横向冲击特性实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对TiNi形状记忆合金圆截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究,并与45#钢悬臂梁的实验结果进行了对比,目的是探索相变对结构动态响应的影响。结果表明:在同样冲击条件下,TiNi悬臂梁的吸能效率优于钢悬臂梁;发现冲击过程中,TiNi试件根部内侧可能形成局部相变铰,使阻力曲线的斜率发生变化;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁试件基本回复原状,钢试件则留下显著的残余变形。TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制。     

横向冲击载荷下伪弹性TiNi合金矩形悬臂梁结构响应的实验研究

利用改装的霍普金森压杆装置对伪弹性TiNi合金矩形截面悬臂梁进行了横向冲击实验研究.结果表明:冲击自由端时,只在根部附近产生一个相变铰,冲击梁中间某位置时,则可能在多处形成相变铰;相变铰形成时拉伸和压缩两侧应变存在一定的不对称性,但是差别并不明显;相变铰的形成与发展过程中,应变并不是单调增加的,而是带有波动性;卸载后相变铰消失,TiNi悬臂梁形状完全回复;自由振动前期,应变的平衡位置与挠度的平衡位置有一定偏离,并且这种偏离随着梁的振动逐渐减小直至消失.TiNi悬臂梁的冲击特性受热弹性马氏体相变和逆相变的支配,不同于传统的弹塑性机制.     

子弹冲击下TiNi固支梁的结构动态响应特性研究

采用改装的霍普金森压杆装置结合数值模拟对伪弹性TiNi合金固支梁的结构动态响应特性进行了研究。结果表明,在子弹冲击下,撞击点和固定端附近首先发生相变,并随着载荷增加,进一步产生相变铰,梁演变为二杆铰接机构。由于轴力作用,此处相变铰为拉伸侧的单边铰。与传统塑性铰不同,卸载后相变铰完全消失,梁回复原状没有残余变形。此外,对固支边界条件的实现及其对实验结果的影响进行了专门研究。     

伪弹性TiNi合金圆薄板的准静态力学行为实验研究

采用阴影云纹和应变片方法对伪弹性TiNi合金圆板在固支条件下的准静态力学行为进行了实验研究,得到了载荷位移曲线、全场离面位移和局部应变等数据.载荷位移曲线呈现非线性、滞回耗能和无残余变形的特性,表明试样已经发生马氏体相变.应变测量显示,相变局限于加载中心较小区域,相变区内,环向应变大于径向应变,且拉伸侧应变大于压缩侧的应变.有限元模拟揭示出相变区内两侧表层的相变范围、相变铰区和马氏体相含量的不对称分布规律.     

TiNi合金的动态伪弹性行为和率相关相变本构模型

采用万能材料试验机和SHPB实验技术对TiNi形状记忆合金在10-3s-1和102s-1应变率下的伪弹性相变行为进行了实验研究。实验数据表明:TiNi合金的相变过程具有应变率效应,其原因主要是相变阻力受应变率影响应变率越大,相变阻力越大。在三线性热弹性相变模型的基础上,考虑了应变率对相变阻力的影响,并给出了相变阻力的具体形式,建立了一个一维率相关相变本构模型。模型对TiNi合金相变行为的模拟与实验数据吻合较好。     

TiNi合金圆柱薄壳静压屈曲失稳特性的实验研究

对马氏体相变支配的伪弹性TiNi合金圆柱薄壳进行了准静态屈曲实验研究和分析,结果表明,TiNi柱壳的屈曲模态以非轴对称钻石型为主,卸载时可恢复,与马氏体相变和相变铰的行为相关,明显不同于传统弹塑性柱壳。还讨论了长径比和边界条件对屈曲模态、比能、临界失稳阈值等的影响。研究发现：随着长径比和边界条件的变化,TiNi圆柱薄壳呈现出多样化的屈曲模态发展。相同长径比下,两端简支的TiNi圆柱薄壳比能Se较大;随着长径比增大,边界条件的影响有逐步弱化趋势。相同边界条件下,长径比较小的TiNi圆柱薄壳比能较大。     

相变柱壳的径向冲击特性

采用改进的SHPB (split Hopkinson pressure bar)装置和高速CCD (charge-coupled device)相机对TiNi合金圆柱壳进行了径向冲击实验研究,得到了动态载荷-位移曲线,并采用数字边界提取技术和纯弯曲假定对结构的动态全场变形过程进行了定量分析。结果表明,相变柱壳经受动态冲击后可以恢复,其加、卸载非线性行为与相变状态和相变铰的演化相关。同时,该结构具有良好的横向抗冲效应,对冲击加速度和冲击载荷的衰减量达到95%以上,耗能率为42.4%,可望在可重复使用的抗冲装置中得到应用。     

圆柱薄壳的动相变屈曲行为

利用MTS809材料试验机对TiNi圆柱薄壳进行了轴向动渐进相变屈曲实验,对轴向冲击下处于伪弹性状态的TiNi合金柱壳的动相变屈曲行为进行了数值模拟研究。结果表明,不同的加载强度将会激发出柱壳不同的动屈曲响应模态。当冲击速度较高时,柱壳两端首先形成轴对称环形相变屈曲波纹,并产生应力平台;随着马氏体含量不断增加,环形相变屈曲波纹逐渐贯穿整个壳体,名义应力缓慢抬升;当名义应变超过一定阈值时,对称环形屈曲模态突变为非轴对称块状屈曲模态,名义应力大幅下降。撞击速度为40 m/s的算例（含10％随机缺陷）与S.Nemat-Nasser等的实验结果很好吻合,说明本文中计算模型、方法和结果的有效性经过了实验的考核。结果还表明,相变耗能是TiNi柱壳吸收冲击能量的主要机制,适合制作可重复使用的高效吸能元件,并给出了相应的理想厚径比。     

TiNi相变圆柱壳的径向压缩特性实验研究

对不同几何尺寸和边界约束条件的TiNi合金圆柱壳进行了准静态径向压缩实验研究,利用数字摄像和图像处理技术得到了不同位置柱壳的变形特征和应变分布,结果表明,在柱壳表面受压处先出现相变铰,随着名义应变的增大,相变铰将发展成相变铰区;在柱壳表面受拉处出现相变铰,但此处材料先进入马氏体相.当径厚比和边界约束不变时,随着名义应变的增大,柱壳的耗能率和比能不断增加.当名义应变不变时,柱壳的耗能率和比能随边界约束个数的增多而增加,吸能效果更好,随径厚比的增加而减小,吸能效率下降.     

TiNi合金冲击相变过程中温度变化规律的实验研究

针对初始SME(shape memory effect)和PE(pseudo-elastic)状态TiNi合金试样,采用带有红外测温系统的SHPB冲击压缩装置,实时测量了冲击相变过程中两种材料试样表面瞬态温度,并根据实验结果计算了相应的温度变化。实验结果表明,冲击加载相变过程中,温度随相变应变的增大而升高,当应变最大时,温度最高;卸载过程中,对初始PE状态试样,温度降低,对初始SME状态试样,温度保持最高温度不变或降低,这同加载最高温度有关;卸载完成后,两种试样温度均高于其初始温度。计算温度结果表明,相变耗散功对加、卸载相变过程中温度变化的作用不可忽略。     

内部爆炸薄圆板的变形及有效载荷

为了研究内爆炸薄圆板的失效与作用载荷特性，在双圆筒装置内开展了铝质、钢质薄圆板内爆炸实验，分析了圆板破坏模式及比冲量载荷特性，并基于相同变形下载荷相等原理，得到了钢质圆板极限变形下的有效比冲量及作用时间，提出了该工况下圆板变形的预估模型。结果表明:在内爆炸载荷作用下，薄圆板的夹持边界和几何中心是应力集中区，产生了塑性大变形、拉伸撕裂、剪切断裂3种破坏模式；圆板的比冲量载荷由初始的波浪式增长逐渐转化为线性增长，30～80 g某温压装药使1 mm厚钢质圆板产生极限变形的有效比冲量作用时间在2.26～2.93 ms之间，经验证，圆钢板变形预估模型得到的装药质量与实验装药质量偏差小于13.3%。     

冲击载荷下瞬态温度的实时测量方法

将红外瞬态测温装置引入SHPB冲击实验,确定了不同材料试件的温度标定曲线,并实时测量了冲击下Al合金和伪弹性TiNi合金试样的表面温度。结果表明,2种试样温度变化都经历了加载过程的温度升高,主要不同在于卸载过程,Al合金卸载过程中温度保持最大加载温度不变,而TiNi合金试样卸载过程中温度降低,这反映了2种材料不同的物理变形过程和温度变化机制。直接红外测温的实验结果与根据能量守恒理论计算的温度较好吻合,说明采用的红外测温方法实时测量冲击瞬态温度是可行的。     

Analysis of axisymmetric phase strains in plates and shells

The axisymmetric strain problem for a shell in the direct phase transformation interval is formulated approximately as a nonlinear boundary-value thermoelastic problem with an implicit temperature dependence (through a phase parameter simulating the volume fraction of the new-phase crystals). The buckling problems for a circular plate and a shallow spherical dome of TiNi alloy loaded by normal pressure in the direct phase transformation interval are solved numerically. The branches of buckled equilibrium states are obtained for various values of the loading and phase parameters. It is found that the deflections increase abruptly with an increase in the phase parameter for a fixed value of the loading parameter. The evolution of the buckling modes and the phase-strain distribution along the meridian are studied. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 48, No. 2, pp. 163–171, March–April, 2007.     

A Novel Fluid Structure Interaction Experiment to Investigate Deformation of Structural Elements Subjected to Impulsive Loading

This paper presents a novel experimental methodology for the study of dynamic deformation of structures under underwater impulsive loading. The experimental setup simulates fluid–structure interactions (FSI) encountered in various applications of interest. To generate impulsive loading similar to blast, a specially designed flyer plate impact experiment was designed and implemented. The design is based on scaling analysis to achieve a laboratory scale apparatus that can capture essential features in the deformation and failure of large scale naval structures. In the FSI setup, a water chamber made of a steel tube is incorporated into a gas gun apparatus. A scaled structure is fixed at one end of the steel tube and a water piston seals the other end. A flyer plate impacts the water piston and produces an exponentially decaying pressure history in lieu of explosive detonation. The pressure induced by the flyer plate propagates and imposes an impulse to the structure (panel specimen), which response elicits bubble formation and water cavitations. Calibration experiments and numerical simulations proved the experimental setup to be functional. A 304 stainless steel monolithic plate was tested and analyzed to assess its dynamic deformation behavior under impulsive loading. The experimental diagnostic included measurements of flyer impact velocity, pressure wave history in the water, and full deformation fields by means of shadow moiré and high speed photography.