SMA短纤维增强复合材料在热载下的相变特性

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的等效要模型和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（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａＩＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＩｎｃｌｕｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ）。考虑在某一温度循环条件下讨论开关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     

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。     

关联Drucker-Prager条件下等效塑性应变系数

针对岩石类材料,试图在关联Drucker-Prager条件下建立更一般化的等效塑性应变定义方法,并研究等效塑性应变系数在塑性变形过程中的变化。首先列举了国内外常用的等效塑性应变定义方法,并分析了它们的不合理性。然后从等效应力和等效塑性应变的定义出发,推导出关联Drucker-Prager条件下等效塑性应变系数。结合室内致密砂岩三轴压缩试验,以塑性体应变为内变量,研究了致密砂岩峰后内摩擦角和粘聚力随内变量的变化,进而研究了等效塑性应变系数随塑性变形的变化。研究发现:等效塑性应变系数依赖于屈服准则的选取,等效塑性应变系数为(2/3)~(1/2)是Mises屈服准则下的特例;关联Drucker-Prager条件下等效塑性应变系数C(2/3)~(1/2),并且随着塑性变形的发展而减小最终趋于稳定值;对于岩石类材料,很多有限元软件中不区分具体情况而直接选用C=(2/3)~(1/2)计算等效塑性应变存在较大的误差。     

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.     

含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤

研究含正交排列夹杂和缺陷材料的等效弹性模量和损伤,推导了以Eshelby－Mori－Tanaka方法求解多相各向异性复合材料等效弹性模量的简便计算公式,针对含三相正交椭球状夹杂的正交各向异性材料,得到了由细观参量（夹杂的形状、方位和体积分数）表示的等效弹性模量的解析表达式．在此基础上,提出了一个宏细观结合的正交各向异性损伤模型,从而建立了以细观量为参量的含损伤材料的应力应变关系．最后,对影响材料损伤的细观结构参数进行了分析．     

基于等效特征应变原理的复合材料有效模量细观力学分析

基于等效特征应变原理,提出了一种新的复合材料有效模量细观力学分析方法。首先,在等效特征应变原理基础上提出平均等效特征应变原理,它可用于解决有限体下任意形状(无论是凸或凹形)的单个夹杂或多个夹杂的弹性变形问题。其次,将平均等效特征应变原理与细观力学直接均匀法相结合,来分析确定复合材料的有效模量。最后利用复合材料纤维与基体的力学性能参数及纤维的体分比,借助MATLAB编程方法,预测其有效模量。通过将理论预测值与已有的的试验值、其它理论预测值进行对比,验证了新分析方法的合理性和分析精度。     

形状记忆合金伪弹性行为模拟

基于对伪弹性形状记忆合金(SMA)典型应力-应变曲线的特征分析,在原Graesser本构模型中增加简洁多项式来描述SMA应力诱发马氏体相变完成后在变形马氏体相下继续加载阶段的变形特征;并引入应变幅值与混相下SMA弹性模量的关系来改进不同应变幅值下卸载时SMA的应力-应变关系,从而提出了一种新的SMA一维本构关系模拟其伪弹性力学行为。该模型对直径为0.5mm的NiTi合金丝的拉伸加载、卸载试验曲线的模拟结果表明:改进本构模型与原Graesser模型相比,其能够准确地模拟SMA在不同应变幅值下加载和卸载应力-应变关系。此外,通过研究SMA本构模型的物理关系,推导出了控制SMA滞回曲线特征的关键参数fT与相变临界应力、弹性常数之间的明确关系,可利用该关系直接确定参数fT,摆脱了只靠试算获取该参数的传统做法,其准确性得到了试验验证。     

智能复合材料的热力学特性

由形状记忆合金丝或颗粒增强的智能复合材料具有特殊的力学性能，本文从理论上预测了智能复合材料的热力学特性。利用Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂原理与Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ的平均场理论导出了本构列式和相变条件，揭示了形状记忆合金在弹性介质约束下的相变机理与过程。     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

Micro-mechanical behaviors of SMA composite materials under hygro-thermo-elastic strain fields

An analytical procedure to evaluate the behavior of shape memory alloy (SMA) composite under hygrothermal environment is presented. The SMA wires are considered as inclusions embedded in a homogeneous matrix medium of the composite. The inhomogeneity associated with the phase transformation and thermal strains in the SMA wire as well as the hygrothermal strain in the matrix is homogenized using Eshelby’s equivalent inclusion method. In the present work, a similar approach adopted for SMA composites by Marfia and Sacco [Marfia, S., Sacco, E., 2005. Micromechanics and homogenisation of SMA-wire-reinforced materials. J. Appl. Mech. 72 (2), 259–268.] is considered in order to validate the response of SMA composite subjected to thermo-elastic strain field. However, in the present approach, certain modifications and new derivations for the inelastic strain tensors is carried out. First, the constitutive laws for the SMA wire and matrix are expressed in terms of the average strain in the composite. The evolutionary equations used to characterize the pseudoelastic (PE) behavior of the SMA wire are redefined in terms of the eigen strains (phase transformation and thermal strains) occurring in the SMA wire, which are then expressed in terms of the average strain in the composite. Further, the SMA composite constitutive law under coupled hygro-thermo-elastic strain fields is proposed. The generic homogenized hygric and thermal inelastic composite tensors required for the proposed hygro-thermo-elastic constitutive law are derived. Finally, the SMA composite lamina is characterized using Eshelby’s equivalent inclusion method. Using the proposed modifications and derivations, the analytical results are validated for the case of thermo-elastic strain fields and the procedure is then extended to evaluate the SMA composite behavior under hygro-thermo-elastic strain fields. The results include the effect of thermo-elastic and hygro-thermo-elastic strains on the transformation stresses and the nature of hysteresis due to hygric and thermo-elastic strains.     

基于细观力学方法的混凝土热膨胀系数预测

建立混凝土材料的有效性质与微结构参数之间的关系,是混凝土材料优化设计的基础。本文用细观力学方法对复合材料宏观有效热膨胀系数进行研究,得到了含有一球形夹杂物的无限大介质在均匀变温作用下的应力场。假定混凝土为由骨料和砂浆基质组成的二相复合材料,根据混凝土宏观体积热膨胀量与组成混凝土的各相介质细观体积热膨胀量相等的原则,采用基于Mori-Tanaka方法的混凝土宏观有效剪切模量,推导出混凝土有效热膨胀系数的解答。对稀疏解法、自洽方法和有限单元数值试验结果的比较说明,本文提出的基于自洽方法的混凝土宏观有效热膨胀系数的理论公式能够较好的描述混凝土的热学特性,该方法可以推广到多相复合材料宏观有效热膨胀系数的预测中。     

弹塑性复合材料力学性能的细观研究

应用细观力学的Eshelby等效夹杂理论研究了复合材料的弹塑性问题。以铝基复合材料为例,建立了多轴载荷下复合材料弹塑性应力-应变关系,并且理论预报与实验结果符合较好,分析了夹杂形状、体积分数及加载路径对材料宏观性能的影响。同时,还研究了热塑性复合材料热膨胀系数与工艺温度之间的变化规律,分析了热残余应变对材料设计的影响。     

SMA复合材料在热载条件下的残余应力分析

本文基于三相复合圆柱模型发展了增量型的分析方法,讨论在ＳＭＡ复合材料中由于ＳＭＡ材料相变以及各相材料热特性随温度变化引起的残余应力。研究基体与过渡恸介面和纤维与过渡界面间的残余应力,同时讨论由于基体相的变化对残余应力的影响。特别研究了涂层和复合材料基体间界面处的残余应力受纤维体积比、涂层厚度、纤维最大相变应以及基体中纤维取向等影响,而且讨论了计及应力对相就运动方程的影响时对ＳＭＡ复合材料相变温度和     

On Behaviors of Functionally Graded SMAs under Thermo-Mechanical Coupling

An analytical solution is obtained for the Functionally Graded Shape Memory Alloy(FG-SMA) composites subjected to thermo-mechanical coupling. Young's modulus and thermal expansion coefficient of the material are assumed to vary in different forms of power function through the thickness, with the Poisson's ratio being constant. An SMA constitutive model is combined with the averaging techniques of composite to determine the mechanical properties of the FG-SMA composites. Different phase transformation steps and the corresponding stress distributions through the thickness direction are given. The results show that the average stresses decrease as the transformations proceed.     

界面及热残余应力对超磁致伸缩复合材料有效性能的影响

本文基于Mori-Tanaka理论，考虑了界面相对超磁致伸缩复合材料的有效性能的影响，得到了具有界面相的超磁致伸缩复合材料的有效性能的一般解析表达。考虑到固化过程中热残余应力对超磁致伸缩复合材料有效性能的影响，通过数值计算，给出超磁致伸缩复合材料有效弹性模量、有效磁致伸缩应变及有效热膨胀系数随夹杂物长径比、体分比、界面参数和固化热残余应力的变化特征曲线，数值结果表明：界面和固化热残余应力对于超磁致复合材料有效性能的影响是显著的。     

含空心纤维热电复合材料的能量转换效率及力学性能

空心纤维常用于热电复合材料的结构设计。纤维附近产生的不均匀温度场会引起局部热应力集中,威胁材料的可靠性并可能导致结构失效。本文采用圆环夹杂模型,研究了含空心纤维热电复合材料在均匀远场电流和能流作用下的力学响应。基于非线性全耦合的热电本构方程,利用复变函数中的级数法得到了纤维和基体中热电场和应力场的解析解。通过数值算例,分析了空心纤维的传导能力和几何尺寸对温度场、应力场和局部热电转换效率的影响。结果表明：随着空心纤维内径和界面热阻的增大,界面周围的应力场增大,但并不改变应力场的分布趋势。此外,我们发现：温度分布和应力场对几何参数比对界面热阻更为敏感。     

Large amplitude free vibration analysis of thermally post-buckled composite doubly curved panel embedded with SMA fibers

Thermal post-buckled vibration of laminated composite doubly curved panel embedded with shape memory alloy (SMA) fiber is investigated and presented in this article. The geometry matrix and the nonlinear stiffness matrices are derived using Green–Lagrange type nonlinear kinematics in the framework of higher order shear deformation theory. In addition to that, material nonlinearity in shape memory alloy due to thermal load is incorporated by the marching technique. The developed mathematical model is discretized using a nonlinear finite element model and the sets of nonlinear governing equations are obtained using Hamilton’s principle. The equations are solved using the direct iterative method. The effect of nonlinearity both in geometric and material have been studied using the developed model and compared with those published literature. Effect of various geometric parameters such as thickness ratio, amplitude ratio, lamination scheme, support condition, prestrains of SMA, and volume fractions of SMA on the nonlinear free vibration behavior of thermally post-buckled composite flat/curved panel been studied in detail and reported.     

THERMOMECHANICAL RESPONSE OF SMA FIBER COMPOSITES WITH NON-UNIFORM TEMPERATURE DISTRIBUTION

A micromechanics method based on the High-Order-Theory developed by Aboudi et al. is used to predict the thermomechanical response of composites reinforced by shape memory alloy (SMA) fibers, and the non-uniform thermal distribution in composite arising from the process of heating or cooling is considered. The numerical development based on this model was coded to predict the thermomechanical response of shape memory alloy fiber/elastomer matrix composite subjected to thermal cycle loading. When the composite is heated, two heating ways, thermal gradients and heat source by passing an electric current through the SMA fibers are imposed on the composite respectively. Upon cooling, the first thermal boundary condition and the second thermal boundary condition are subjected to the composite respectively. A series of stress distributions and temperature distributions for different instants are calculated to reveal the interaction between the SMA material and matrix. It is useful to analyze and design the SMA actuator driven by heat source or the surface temperature.