形状记忆合金复合材料变截面板簧的研究与设计

摘要

被动悬架的刚度与阻尼都是不可调节的，只能在特定的路况达到最优减振效果，难以适应不同路况；主动悬架安装有传感与驱动装置，能够感知车辆的运行状态，并根据一定的控制策略调节悬架的刚度与阻尼，使其适应复杂的路面状况，但是主动悬架存在结构复杂，成本高，能耗大等缺点。半主动悬架能够实现与主动悬架相近的减振品质，但是由于没有专门的传感器与作动器，所以相对于主动悬架具有结构简单、能耗小、成本低等优点，因而成为当今世界悬架研究的热点。
　　传统半主动悬架主要通过调节阻尼系数来调节悬架的减振效果。作为智能半主动悬架核心部件的形状记忆合金（Shape Memory Alloy-SMA）复合材料变截面板簧，是基于SMA先进智能材料与结构的概念，结合先进的复合材料技术提出的一种新型智能复合材料变截面板簧，它通过控制悬架的刚度来调节其减振效果。作为一种半主动悬架板簧， SMA复合材料变截面板簧没有各种阀门，比电/磁流变液半主动悬架结构更简单，又具备传统复合材料板簧的强度高、抗疲劳性能好的特点，因而发展前景广阔。
　　本文首先基于Brinson热力学模型，分析了SMA的一维本构关系，并应用其本构方程推导和计算了SMA的受限回复特性，给出升温与降温过程中的回复应力、马氏体含量和弹性模量随温度的变化规律曲线。
　　研究了纤维复合材料的弹性特性与热弹性特性，推导了从单层复合材料到层合复合材料的弹性特性与热弹性特性的基本公式。将SMA和纤维复合材料进行混杂，得到SMA纤维智能复合材料，其宏观性能参数可采用混杂率进行计算。给出了能够反映复合材料本身的弹性与热弹性，以及SMA纤维的受限回复力特性而的SMA纤维复合材料结构的本构方程。
　　基于瑞利-里兹法的基本原理，建立了嵌入SMA纤维的复合材料变截面板簧的静力学和自由振动近似分析模型，推导了板簧的刚度和固有频率的表达式，并通过数值计算得到板簧的刚度与固有频率随温度、基体材料铺层角度、SMA纤维体积含量的变化规律，描绘出其变化规律曲线，揭示了嵌入SMA纤维的复合材料变截面板簧的刚度和固有频率可调节机理。

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和内容

2 SMA的力学性能

2.1 引 言

2.2 SMA的本构关系

2.3 完全约束回复

2.4 本章小结

3 纤维复合材料结构力学分析理论

3.1 引 言

3.2 单层复合材料的弹性特性

3.3 层合复合材料的弹性特性

3.4 复合材料的热弹性特性

3.5 嵌入SMA的智能复合材料的弹性特性

3.6 本章小结

4 SMA纤维复合材料变截面板簧的刚度特性

4.1 引 言

4.2 模型的建立

4.3 数值计算与结果分析

4.4 本章小结

5 SMA纤维复合材料变截面板簧的固有频率特性

5.1 引 言

5.2 模型的建立

5.3 数值计算与结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

附录A 刚度-温度的计算程序

附录B 固有频率-温度的计算程序