SMA纤维混杂层合梁的材料阻尼

研究一类由形状记忆合金（SMA）和普通纤维混杂而成的层合梁的阻尼特性,基于最大应变能理论提出SAM混杂层合梁的等效材料阻尼预测的数学模型,其中,单层材料的弹性性能和阻尼性能分别采用多胞模型及其阻尼细观力学分析模型确定,利用正交各向异性层合梁的铁木辛柯理论分析梁的变形,通过数值算例分析了SMA含量,纤维铺设角对梁的等效阻尼比的影响。     

SMA本构模型及其应用的研究进展

形状记忆合金(SMA)是一类应用前景广阔的智能材料系统, 其最基本的宏观响应特性是在不同温度和应力条件下的相变超弹性和形状记忆特性.近年来, 形状记忆合金本构模型发展迅速, 其在工程结构振动控制领域中的研究和应用也得到了广泛地关注.与此同时, 许多学者将SMA用于当前迅速发展的智能材料结构,发展了一系列SMA复合材料本构模型, 成为目前SMA的应用研究的热点.本文针对形状记忆合金本构模型的发展状况, 首先回顾了近年来常用的和新发展的SMA本构模型, 并根据其包含的力学特点和基本理论将其进行了比较归类, 分析了各类模型特点和适用范围;其次从微/宏观角度介绍了有广阔应用前景的SMA智能复合材料的本构模型的发展状况;接着简要的综述了几类较为实用的SMA本构模型在实现结构的主/被控制、变形控制及结构裂纹诊断与控制等方面的应用现状.最后对目前本构模型的发展趋势、工程应用问题提出了一些看法和展望.      

形状记忆合金混杂复合材料薄壁梁主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型.基于变分渐近法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测.基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式.由该文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程.在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果.通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量、驱动温度和复合材料铺层角的影响.     

形状记忆合金纤维复合材料薄壁梁的主动变形模型

提出具有变形主动驱动作用的SMA纤维混杂复合材料单闭室薄壁截面梁的力-位移本构关系模型。基于变分渐进法导出具有SMA主动纤维的复合材料薄壁空心梁的二维截面刚度系数以及截面内力（矩）与位移（转角）关系方程,含SMA纤维层合板材料性能由混合率进行预测。基于Tanaka的SMA应力应变关系以及Lin的线性相变动力模型,导出了SMA诱发的轴力、扭矩与弯矩的数学表达式。由本文建立的具有拉伸-扭转-弯曲静变形耦合的一般公式出发,讨论周向均匀刚度配置以及周向反对称刚度配置特殊情形,并给出了简化的本构方程。在不考虑SMA纤维含量和温度变化的情况下,本文的模型可以退化为普通纤维复合材料单闭室薄壁截面梁的已有结果。通过数值计算揭示了SMA对弯曲-扭转静变形特性的作用规律,分析了SMA纤维含量与初始应变、驱动温度和复合材料铺层角的影响。     

形状记忆合金(SMA)层合梁动力学分岔分析

针对有形状记忆合金的层合梁系统,分析了形状记忆合金层与梁中间基体的厚度比相关参数、激励强度对系统的振动幅频响应的影响。采用形状记忆合金多项式本构模型,建立层合梁的量纲归一化的运动方程,用Galerkin方法离散得到任意阶模态动力学方程,再由平均法求得幅频响应方程。利用奇异性理论计算转迁集和不同类型的幅频响应图。结果表明,一阶模态非线性振动幅频响应可分为类线性和硬特性两种类型。响应为类线性时,厚度比和激励强度在类线性区取值,形状记忆合金层对系统几乎没有减振效果;响应为硬特性时,激励幅值越大,形状记忆合金层越厚,SMA层对系统的减振效果越明显。在不同的激励及SMA层厚度下,二阶和三阶模态非线性振动幅频响应定性相同,其类型可分为:类线性、硬特性、软特性、软硬特性。     

基于能量准则的梁振动多模态主动控制的LQR法

选用以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法,在单对压电元件进行梁振动主动控制的基础上,使用多对压电元件进行主动控制．运用该算法对压电层合梁的振动控制进行了分析计算．数值算例表明该方法能够有效地控制多阶模态并减小控制能量的消耗．由此,进一步验证了以结构振动能量和控制信号能量作为控制目标函数的LQR算法的正确性。     

基于一种简化剪切变形理论的层合梁自由振动分析

复合材料层合梁在航天航空、核工程、高速列车、建筑等领域有着重要的应用,其振动特性得到了广泛关注。本文针对复合材料层合梁结构,引入了一种新的简化剪切变形理论;同时考虑层间连续性条件,结合Ritz法求解了其振动频率,并与已有文献结果进行了对比。结果表明:两者吻合较好,误差基本保持在1%左右,验证了理论模型的有效性。基于该理论模型,重点研究了铺层方式、纤维铺设角度等关键参数对层合梁振动特性的影响。研究结果表明:对称铺设层合梁的一阶固有频率均高于非对称铺设层合梁的一阶固有频率,且随着铺设层数的增加,其振动频率会趋于稳定值;对比不同铺设角度的层合梁,纤维铺设角度为90°的层合梁的一阶固有频率最低。     

旋转SMA纤维混杂复合材料薄壁梁的自由振动

研究具有SMA主动纤维的旋转复合材料单闭室薄壁截面梁的耦合自由振动问题.基于Hamilton原理并结合SMA纤维复合材料薄壁梁的二维截面内力(矩)与位移(转角)关系方程,导出旋转单闭室截面薄壁复合材料梁的1D耦合自由振动分析模型.该模型还考虑薄壁梁调矩角和预锥角的作用.采用Galerkin法求解振动模型,获得梁耦合振动...     

用两种功能材料综合控制智能梁的振动

给出了用两种材料对梁进行振动控制的综合控制方法。采用多层分布压电层进行精密主动控制时,将压电传感层和压电致动层分割成若干单元来设计压电模态传感器和压电模态致动器,进而实现了梁的模态控制,同时利用形状记忆合金的超弹性特性对梁进行被动控制来抑制梁的大振幅振动,取得了很好的控制效果。     

宏纤维压电层合壳结构非线性屈曲分析

以纤维压电MFC （Micro-Fiber Composite）层合圆柱壳为例，研究了其在准静态屈曲下的非线性振动响应。基于Reissner-Mindlin一阶剪切变形假设，采用大转角几何全非线性理论，建立了带有纤维角度的MFC层合壳结构的非线性屈曲与振动分析模型。采用全拉格朗日方程（Total Lagrange Formulation）对非线性模型进行线性化处理，并结合Riks-Wempner弦长控制迭代法进行准静态求解，然后在每个解点进行自由振动分析。通过与文献数据对比验证了所建模型的准确性。并用该计算模型对MFC-d31层合圆柱壳进行屈曲及自由振动分析，研究了几何参数（曲率、厚度、纤维角度和不同外加电压）对频率的影响。结果表明，厚度、曲率和纤维增强角度对结构的临界载荷有显著的影响，且结构的临界载荷随着上述参数的增大而增大；电场强度可对不同纤维角度壳体的自振频率进行调节，能够提高结构的临界载荷；纤维角度越大，电压对结构自振频率调节的效果越明显。     

Low Velocity Response Characteristics of Composite Plate with Embedded Shape Memory Alloy

I. INTRODUCTION Composite materials have been used extensively in aerospace and other industries owing to the factthat they have high speci?c modulus, high speci?c strength, and the capability to be designed andfabricated with greater ?exibility, and ha…     

SMA短纤维复合材料的热胀系数和相变应变系数

基于Eshelby的等效夹杂模型、Mori和Tanaka的场平均法,考虑到形状记忆合金（SMA）的强物理非线性,发展了增量型的等效夹杂模型（Incremental Equivalent Inclusion Model)。讨论了SMA短纤维增强的铝基复合材料的热胀系数和相变应变系数。特别研究了SMA短纤维复合材料纤维几何尺寸和体积分数等参数对SMA复合材料的热胀系数和相变应变系数的影响。这些工作对于指导材料设计和了解SMA复合材料热机械特性是非常有意义的。     

SMA短纤维增强复合材料在热载下的相交特性

在形状记忆合金（ＳＭＡ）复合材料研究中,相变特性的研究是一个主要的工作．基于Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂模型和Ｍｏｒｉ和Ｔａｎａｋａ的场平均法,考虑到ＳＭＡ材料的强物理非线性,发展了增量型的等效夹杂模型（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＩｎｃｌｕｓｉｏｎＭｏｄｅｌ）．考虑在某一温度循环条件下讨论形状记忆合金短纤维增强的铝基复合材料在热载下的相变行为．特别研究了ＳＭＡ短纤维复合材料在变温过程中纤维几何尺寸、体积分数等参数对ＳＭＡ复合材料的相变行为和ＳＭＡ内残余应力等的影响．这些工作对于指导材料设计和了解ＳＭＡ复合材料热机械特性是颇有意义的．     

形状记忆合金增强复合材料连接件模型的实验研究

本文对形状记忆合金（ＳＭＡ）增强复合材料连接件模型进行了初步的实验分析和计算,结果表明：ＮｉＴｉＳＭＡ丝产生的回复应力对连接件模型孔应变有明显的影响,埋入ＮｉＴｉ丝的复合材料连接件模型的拉伸破坏载荷有所提高,本研究为改善复合材料连接的强度问题作了有益的探索。     

Dynamics and control of an active pendulum system

The work focuses on autoparametric vibrations of system composed of a non-linear oscillator with an attached pendulum. A combination of semi-active damper together with a non-linear spring mounted in the suspension of system is proposed. The spring is made from a shape memory alloy (SMA) while damping is realized through a magnetorheological (MR) damper. The MR damper is used for controlling damping of the system, SMA spring is used to change system׳s stiffness. The system is solved numerically and verified experimentally on a custom made experimental rig. Specifically, non-linear resonances are investigated, and their influence on the system dynamics and absorption effect.     

Finite element analysis of 2D SMA beam bending

A thermomechanical model of a shape memory alloy beam bending under tip force loading is implemented in finite element codes.The constitutive model is a one dimensional model which is based on free energy and motivated by statistical thermodynamics.The particular focus of this paper is on the aspects of finite element modeling and simulation of the inhomogeneous beam bending problem.This paper extends previous work which is based on the small deformation Euler-Bernoulli beam theory and by treating an SMA beam as consisting of multi-layers in a twodimensional model.The flux terms are involved in the heat transfer equation.The simulations can represent both shape memory effect and super-elastic behavior.Different thermal boundary condition effect and load rate effect can also be captured.     

Qualitative and quantitative evaluation of the interface in activated shape memory alloy composites

The interfacial quality of shape memory alloy (SMA) composites was experimentally evaluated by differential scanning calorimetry, and quantitatively calculated using a combination of Šittner's model and a composite cylinder model. Results have shown that the damage level of the interface in a heating process can be quantitatively evaluated by measuring the transformation enthalpy of the subsequent heating cycle and comparing it with the S-shaped enthalpy kinetic curve. A combination of Šittner's model and a composite cylinder model is capable of calculating both the thermal behavior and the triaxial stress state of SMA composites.     

拟弹性SMA对复合材料板抗低速冲击响应性能的影响

以形状记忆合金(SMA)纤维增强复合材料板为研究对象,根据SMA拟弹性曲线的特性,建立了一种SMA拟弹性应力-应变关系的分段线性化模型;在此基础上,采用分步能量平衡法,求解了SMA增强复合材料板受低速冲击时的横向位移和应力,分析了SMA的拟弹性特性对复合材料板低速冲击性能的影响.研究结果表明,SMA的能量吸收特性能有效地增强复合材料板抗低速冲击能力,板的最大位移和最大应力都明显减少.冲击速度为10m/s的情况下,板的最大挠度和应力降低了18%左右;冲击速度为25 m/s的情况下,板的最大挠度和应力降低了42%左右.