随机振动下镍钛形状记忆合金管接头的疲劳特性研究

摘要

形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）是一种新型的智能型金属材料，该材料不但具有良好的形状记忆效应（Shape Memory Effect，SME)、超弹性（PE）性能，还拥有高阻尼性、高抗腐蚀性以及优异的生物相容性等特性，因此在建筑、核电、车辆、航空航天、电子、医学、能源等众多领域中得到了广泛的应用。其中Ni-Ti形状记忆合金做为SMA的典型代表材料，其广泛应用于土木建筑的抗震元件；机械工程中的连接件、紧固件和密封件；医学领域的一些医疗器材等。目前，研究学者们对Ni-Ti形状记忆合金的研究主要集中于本构模型和微观结构等方面。而在实际工程中，由于Ni-Ti形状记忆合金部件自身结构以及工作环境的的复杂性，其不可避免的受到复杂载荷的循环作用，在外部载荷的反复作用下，Ni-Ti形状记忆合金可能会发生性能上的改变，甚至会发生疲劳断裂。因此，开展Ni-Ti形状记忆合金部件的疲劳研究是很有意义的。 针对随机振动下Ni-Ti形状记忆合金的疲劳特性研究，本文开展了以下研究工作： 1）讨论了SMA的主要特性和SMA的本构模型，概括了本文使用的基于广义塑性理论的Auricchio模型，进一步给出了该模型需要的参数，通过有限元模拟对该模型进行了验证，结果表明该模型能够很好的描述SMA的力学行为。 2）讨论了随机振动疲劳寿命的分析方法—时域分析法和频域分析法。基于Ni-Ti合金的疲劳实验结果，建立了Ni-Ti合金材料的疲劳损伤模型。在频域内，结合响应应力概率密度分布函数和SMA材料的疲劳特性，提出了一种考虑平均应力影响下预估Ni-Ti合金随机振动疲劳寿命的方法。 3）考虑到工程实用性，对一段典型液压管道中的Ni-Ti合金管接头系统进行随机振动疲劳寿命预估。运用CAD软件建立Ni-Ti管接头系统的有限元模型，导入ANSYS有限元软件进行前处理，并基于等效质量法对Ni-Ti合金管接头系统进行了模态分析，得到系统的固有频率和振型。 4）对Ni-Ti合金管接头系统进行频响分析，得出Ni-Ti合金管接头的频响特性。对其施加加速度功率谱密度激励进行随机振动分析，得到响应应力功率谱密度曲线。结合SMA材料的S-N曲线和疲劳累计损伤理论，分别运用Steinberg法和本文提出的方法预估了管接头的随机振动疲劳寿命，结果表明：Ni-Ti合金管接头能满足飞机飞行要求，且使用本文提出的方法估算的Ni-Ti合金管接头寿命更精确，可以作为机械工程领域内估算结构随机振动疲劳寿命推荐方法。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 疲劳理论研究进程

1.2.2 随机振动疲劳研究现状

1.2.3 Ni-Ti形状记忆合金的研究现状

1.3 本文的主要研究工作

1.4 本章小结

第2章 形状记忆合金的特性及其本构模型

2.1 研究对象的介绍

2.2.1 形状记忆效应

2.2.2 超弹性

2.2.3 超弹性与形状记忆效应的关系

2.2.4 形状记忆合金的马氏体相变

2.3 镍钛形状记忆合金

2.3.1 形状记忆合金的分类

2.3.2 镍钛形状记忆合金的晶体结构

2.3.3 镍钛形状记忆合金的性能

2.4 形状记忆合金的本构模型

2.4.1 单晶理论本构模型

2.4.2 细观力学本构模型

2.4.3 唯象学本构模型

2.5 基于广义塑性理论的Auricchio模型及其验证

2.6 本章小结

第3章 预估形状记忆合金随机振动疲劳寿命的方法

3.1 随机振动的功率谱密度函数及其主要参数

3.1.1 随机过程的基本概念

3.1.2 功率谱密度函数

3.1.3 功率谱密度的主要参数

3.2 材料的疲劳特性

3.3 疲劳累计损伤理论

3.4 随机振动疲劳分析方法

3.5 基于频域内预估镍钛合金随机振动疲劳寿命的方法

3.5.1 镍钛形状记忆合金的损伤模型

3.5.2 镍钛形状记忆合金随机疲劳寿命预测模型

3.6 本章小结

第4章 镍钛合金管接头系统的模型建立和模态分析

4.1 基于等效质量法的模态分析理论

4.2 建立有限元模型

4.2.1 网格的划分

4.2.2 Ni-Ti合金管接头系统模型的材料属性

4.2.3 约束处理

4.3 Ni-Ti合金管接头系统的模态分析结果

4.3.1直通Ni-Ti合金管接头系统的模态分析结果

4.3.2 L弯Ni-Ti合金管接头系统的模态分析结果

4.4 本章小结

第5章 镍钛合金管接头的随机振动疲劳分析

5.1 频响分析

5.1.1 频响分析理论与求解方法

5.1.2 频响分析结果

5.2 激励载荷

5.3 随机振动分析及寿命预估

5.4 卡块对Ni-Ti合金管接头随机振动疲劳寿命的影响

5.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文