功能梯度形状记忆合金热-力学性能研究

摘要

功能梯度形状记忆合金(Functionally Graded Shape Memory Alloy，简称FG-SMA)是一种新兴的功能材料，其不仅具有功能梯度材料(Functionally GradedMaterial，简称FGM)的连续变化的材料特性，能够消除普通层合材料中的应力集中，还具有形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)的独特的形状记忆效应和超弹性。FG-SMA以其独特的物理力学性能引起了材料界的广泛关注和研究，并开始被应用到许多不同的实际工程领域，这些实际应用必须以该材料的物理力学性能为前提。本文对不同载荷作用下的不同结构形式的FG-SMA的力学性能进行了研究，主要内容如下:
　　首先对由弹性材料和弹塑性材料组成的FGM简支梁受均布载荷作用的弹塑性变形行为进行分析，得到这种FGM梁受力变形的理论解。文中采用幂函数来描述FGM梁中组分材料体积分数的变化情况，应用细观力学平均化的方法确定材料的整体性能。这种方法可以避免直接假设FGM的整体性能的变化，而且可以考虑不同材料的泊松比的影响。此外，对于本文研究的FGM梁，只有一相材料（弹塑性材料）发生屈服，屈服函数完全由弹塑性材料的应力确定，而非FGM的整体应力。这种方法更加接近材料的真实情况，而已有的直接假设FGM整体性能变化的方法无法真实模拟该情况。
　　通过充分考虑组分材料各自的本构关系，本文给出了FG-SMA复合材料梁在纯弯曲载荷作用下的受力变形行为的理论解。其中SMA的本构关系由分段线性模型确定，这种方法可以避免直接考虑马氏体体积分数的复杂的变化形式，有效的简化计算，并考虑了SMA的拉压不对称特性。数值计算结果显示，与普通FGM(不含SMA)梁相比，FG-SMA梁能显著降低梁内的最大应力。通过与实验数据对比可知，上述方法能够较好的模拟FG-SMA复合材料的力学行为。
　　将热传导的理论与复合材料力学的理论相结合，本文对受梯度温度载荷作用的FG-SMA复合材料板的热力学性能进行了研究，给出了确定板内某位置处相变状态的相变函数和计算板内热应力的方法。研究结果表明，在不同的上下表面温度作用下，板内的温度场呈非线性的分布;由于温度和材料性能的不同，板内首先发生马氏体相变的位置和区域并不固定，需要研究特定温度下的相变函数来确定板内某位置处的相变状态。与已有文献对比显示，本文给出的研究FG-SMA热力学性能的方法是准确有效的。
　　功能梯度多孔形状记忆合金(Functionally Graded Porous Shape MemoryAlloy，简称FGP-SMA)是一种特殊的多孔SMA，其材料内部的孔隙率沿着梯度方向不断变化。本文应用细观力学的理论，充分考虑材料的微观组成和组分材料之间的相互作用，建立了一个FGP-SMA的细观力学本构模型，该模型可预测FGP-SMA在外力和温度等复杂载荷作用下的力学行为。应用该模型对FGP-SMA圆柱在单轴压缩下的力学行为进行了研究。
　　通过对多孔SMA的相变机理进行研究，本文提出了一个新的考虑了静水压力的相变势函数，建立了一个FGP-SMA的宏观唯象模型。此外，针对FGP-SMA材料的内部结构特点，介绍了一种能够用于研究FGP-SMA力学性能的有限元建模方法。数值计算结果显示，与单一孔隙率多孔SMA的应力应变关系曲线类似，FGP-SMA的平均应力随着应变的增大而平滑的增大，没有明显的相变转折点。此外，有限元分析结果显示，材料内部的马氏体相变首先发生在孔隙周围的高应力集中区域，并逐渐向其它区域扩展。
　　文中建立的细观力学模型、宏观唯象模型和有限元模型均能较好的模拟FGP-SMA的力学行为，其中细观力学模型的结果比宏观唯象模型的结果更接近实验数据，但宏观唯象模型在应用时更加简便，计算简单，无需迭代。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 功能梯度形状记忆合金研究背景及意义

1．2 功能梯度材料

1．3 形状记忆合金

1．4 多孔形状记忆合金

1．5 形状记忆合金复合材料

1．6 本文的主要工作

第二章 功能梯度形状记忆合金的种类、制备方法和性能测试

2．1 前言

2．2 组分梯度FG-SMA

2．3 结构梯度FG-SMA

2．4 小结

第三章 SMA、多孔SMA和SMA复合材料的本构模型

3．1 前言

3．2 SMA的本构模型

3．2．1 单晶理论模型

3．2．2 基于塑性力学的本构模型

3．2．3 宏观唯象模型

3．2．4 细观力学模型

3．2．5 基于混合物理论的本构模型

3．3 多孔SMA本构模型

3．4 SMA复合材料本构模型

3．5 小结

第四章 功能梯度形状记忆合金梁和板的热-力学问题理论解

4．1 前言

4．2 FGM简支梁在均布载荷作用下的弹塑性分析

4．2．1 材料模型及特性

4．2．2 弹性阶段

4．2．3 弹塑性阶段

4．2．4 FGM欧拉简支梁受均布载荷作用的弹塑性分析

4．2．5 数值算例与结果分析

4．3 FG-SMA梁在纯弯曲载荷作用下的力学性能分析

4．3．1 材料模型及特性

4．3．2 弹性阶段

4．3．3 相变阶段

4．3．4 数值计算与结果分析

4．4 FG-SMA板在梯度温度载荷作用下的热力学性能研究

4．4．1 材料模型

4．4．2 热传导分析

4．4．3 热应力分析

4．4．4 热弹性分析

4．4．5 相变分析

4．4．6 数值计算与结果分析

4．5 小结

第五章 功能梯度多孔形状记忆合金的细观力学模型

5．1 前言

5．2 理论模型

5．2．1 细观力学模型

5．2．2 相变动力学方程

5．3 数值算例与结果分析

5．4 小结

第六章 功能梯度多孔形状记忆合金的宏观唯象模型及有限元分析

6．1 前言

6．2 宏观唯象模型

6．2．1 宏观本构关系

6．2．2 相变势函数

6．2．3 宏观相变应变

6．3 有限元模型

6．4 数值算例与结果分析

6．5 小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 本文的创新之处

7．3 展望

参考文献

作者简历

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