复合加载下NiTi形状记忆合金超弹性性能研究

摘要

NiTi形状记忆合金是智能材料中最先应用的一种驱动元件。因为具有良好的超弹性和形状记忆效应，从而得到广泛的应用。迄今为止，对NiTi合金的研究主要集中在一维状态。实际上，由于几何形状的复杂性以及载荷的复合作用，大多数零构件是处于复杂应力状态下工作的，因此很有必要从试验以及理论方面，对NiTi合金在复合加载下的力学性能进行研究。 本论文采用理论分析、计算模型、实验考核与验证相结合的方法，研究了NiTi合金的超弹性性能。主要的工作总结如下： 1．通过试验，研究了温度、循环加载一卸载、加载速率以及应力幅值对近等原子比NiTi合金丝材的超弹性性能以及疲劳寿命的影响。 2．通过试验，研究了NiTi合金薄壁圆筒在单轴拉伸、纯扭转、双轴比例以及非比例加载下的疲劳行为，分析了相同应变幅值下，不同加载方式以及非比例相位差对NiTi合金双轴疲劳寿命的影响。 3．在原有Gall等人提出的模型基础上，提出了一种新的改进的微观力学模型，并将这一模型移植到ABAQUS的用户子程序UMAT中。通过比较数值模拟结果与试验结果表明，模型基本可以描述NiTi合金的超弹性性能的主要特征。由于交互矩阵H<'mn>中的两个参数是从分析的角度估算来的，分析了日H<'mn>的取值不同对多晶体应力．应变关系的影响，通过与试验结果相比较，确定了参数C和I。 4．应用现有的本构模型，通过有限元模拟计算，研究材料织构对NiTi合金在拉伸和压缩载荷作用下力学响应不对称性的影响。同时，分析了四种不同温度下，多晶NiTi合金在双轴拉伸(压缩)加载下以及薄壁圆筒在拉伸(压缩)一扭转比例加载下的相变情况，以确定在应力平面上的马氏体相变初始曲线，同时也研究了材料织构对马氏体相变初始面的影响。 5．应用已建立的本构模型，研究了四种不同表面粗糙度对NiTi合金超弹性性能的影响。为了比较，也对光滑模型以及单个缺口模型进行了模拟计算。 6．通过试验，对形状记忆合金薄壁圆筒在拉伸一扭转双轴加载下的超弹性性能进行了研究，并与数值模拟计算结果进行了比较。结果表明，这一模型可以很好的模拟双轴加载下形状记忆合金的整个加载一卸载过程。并且从试验和数值模拟结果可以看出，不同的双轴加载路径下，材料的超弹性响应有很大的不同。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1形状记忆合金

1.1.1 NiTi合金马氏体相变

1.1.2形状记忆合金特性

1.1.3形状记忆合金应用

1.2选题背景及意义

1.3研究现状

1.4本文开展的工作

第二章NiTi合金一维超弹性性能试验研究

2.1材料以及实验过程

2.1.1试验材料

2.1.2试验过程

2.2实验结果

2.2.1等温循环加载对超弹性的影响

2.2.2加载速率的影响

2.2.3不同应力幅值下的疲劳寿命

2.2.4试验温度的影响

2.3结论

第三章NiTi合金双轴比例及非比例加载下疲劳行为的试验研究

3.1试验方法

3.1.1材料和试样

3.1.2试验安排以及加载程序

3.2试验结果

3.2.1应力-应变关系

3.2.2循环变形行为

3.3结论

第四章本构模型及其有限元实现

4.1微观力学框架

4.2有限元模拟

4.3 UMAT中所使用的算法

4.4与模型有关的讨论

4.4.1模型验证

4.4.2交互矩阵的影响

4.5模型应用举例

4.6结论

第五章双轴加载下晶体取向对马氏体相变初始面的影响

5.1晶格取向对拉伸/压缩相变不对称性的影响

5.1.1有限元模型以及材料参数

5.1.2计算结果及其讨论

5.2晶体取向对马氏体相变初始面的影响

5.2.1有限元模型

5.2.2计算结果及其讨论

5.3.结论

第六章表面粗糙度对NiTi合金超弹性性能的影响

6.1有限元模型

6.2计算结果及其讨论

6.3结论

第七章NiTI薄壁圆筒双轴加载下超弹性性能试验与数值模拟研究

7.1试验

7.1.1材料

7.1.2试样

7.1.3试验采用加载路径

7.2有限元计算

7.3试验及有限元模拟结果

7.3.1扭转—拉伸加载

7.3.2拉伸—扭转加载

7.3.3不同加载方式下等效应力-应变比较

7.4结论

第八章主要结论

参考文献

攻读博士学位期间公开发表论文

致谢