NiTi 形状记忆合金热-力耦合循环变形行为宏微观实验和理论研究进展

本文对NiTi形状记忆合金热-力耦合循环变形行为研究的最新进展进行综述和评价。首先总结NiTi形状记忆合金在循环加载条件下的单轴、非比例多轴循环变形特性以及强烈的热-力耦合特性,阐述NiTi形状记忆合金在循环变形过程中出现功能性劣化的微观机理;然后,讨论在宏观和细观尺度上建立的三类NiTi形状记忆合金典型的循环本构模型,并评述代表性模型的预测能力;最后,总结已有研究存在的不足,对相关问题的进一步研究提出建议。在本构模型方面主要介绍了作者及其合作者在基于晶体塑性的热-力耦合循环本构模型方面的工作,突出了多种非弹性变形机制和强烈热-力耦合行为对形状记忆合金循环变形行为的影响。     

热致和磁致形状记忆合金循环变形和疲劳行为研究

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应,一直以来受到学者和工程界人士广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围,对其热–力和磁–力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述.总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热–力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果;对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁–力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述;提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.     

Study on cyclic deformation and fatigue of thermal and magnetic shape memory alloys

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.     

热致和磁致形状记忆合金循环变形和疲劳行为研究

形状记忆合金(包括热致和磁致形状记忆合金)由于其特有的超弹性和形状记忆效应, 一直以来受到学者和工程界人士广泛关注, 且已有诸多成功的工程应用案例.为了进一步拓展该类合金的工程应用范围, 对其热--力和磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的宏微观实验观察和理论模型研究成果进行了综述. 总结了NiTi和NiTiX两类合金材料的温度诱发(即热致)的热--力耦合循环变形和疲劳失效行为研究的最新成果; 对以NiMnGa合金为代表的磁场诱发(即磁致)的磁--力耦合循环变形和疲劳失效行为的研究现状进行了评述; 提出并预测了未来的研究方向及发展趋势.      

单晶有限变形的热力耦合计算模型

以弹性变形梯度作为基本变量,结合热力学理论构造了单晶有限变形的热、力耦合计算模型。该模型考虑了温度、变温速率以及塑性耗散等条件对单晶有限变形的影响,相对于传统的以弹性变形梯度为基本变量的晶体塑性模型,算法能够体现温度效应的影响。采用隐式的积分方法对建立的控制方程进行计算以保证求解过程的稳定。以1100Al单晶为例计算了不同升温、降温速率,以及不同应变率影响下的材料应力-应变的响应。结果表明,模型能较好地反映变温过程中,单晶各向异性性质的演化以及应力、应变之间关系的变化。     

定向凝固多晶铁磁形状记忆合金力-温度耦合的实验研究

铁磁形状记忆合金兼具大输出应变与高响应频率等综合特性,是新一代驱动与传感材料。采用定向凝固技术制成的多晶铁磁形状记忆合金具有较多优越的力学性能。本文对温度和应力耦合作用下的定向凝固多晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试,分别获得了定向凝固多晶Ni-Mn-Ga试样在不同恒定温度时的应力-应变循环曲线,以及试样在压缩时两个互相垂直方向的数字散斑图。结果表明:同一恒定温度时,随着应力循环次数的增加,其应变值逐渐减小;同一压缩应力时,不同温度作用过程中定向凝固方向的应力,随着温度的升高逐渐减小。本文结果可为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

荷载作用下多孔饱和地基的热-水-力耦合动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合达西定律,对Biot波动方程进行修正,研究了一个受到荷载作用的多孔饱和地基的热-水-力多场耦合动态响应问题。建立了多孔饱和地基在荷载作用下的热-水-力耦合模型及控制方程,该模型可退化为热弹性耦合模型。采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,讨论了热-水-力耦合模型和热弹性耦合模型的区别,分析了荷载频率变化对地基中各物理量的影响。最终给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律。     

压电智能结构有限变形下热-机耦合的有限元分析

采用有限元方法研究了结构在热载荷作用下变形与热传导之间的耦合特性．分析表明，结构变形较小，非线性效应很弱时，变形对材料的热传导系数影响很小，对结构的温度分布几乎没有影响；当变形增大，非线性效应增强时，变形对材料的热传导特性影响显著，热载荷作用下结构的温度变化和变形与现行不考虑热-机耦合效应所得结果产生明显差异．因此，为实现压电智能结构形状(振动)的精确控制，分析及实施控制时须考虑热-机耦合及变形对热传导系数的影响．     

车削系统的热-力-振动特性研究综述

车削加工中产生的应力变形、车削热、车削振动等现象相互耦合且随时间不断变化,研究车削过程中车削系统的热-力-振动特性对于深入了解车削机理、改善车削加工质量、提高生产效率具有积极的意义。本文分别对车削力学特性、车削热、车削振动的国内外研究现状进行了概述和总结,学者们侧重于车削要素对车削振动、应力及车削温度影响的试验及数值模拟研究,在热-力-振动耦合特性方面,车削热和车削应力的耦合研究成果较多,而关于车削振动与车削热、车削振动与车削应力的综合研究有待进一步加强。     

形状记忆合金拟弹性行为的热力学描述

形状记忆合金是由马氏体和奥氏体组成并动态变化的两相材料 ,其拟弹性行为实质上是两相各自行为的动态组合。本文提出了形状记忆合金拟弹性行为的一种热力学描述。根据实验现象假设在感兴趣的温度和变形范围内 ,奥氏体相具有线弹性特性而马氏体相具有弹塑性特性 ,结合 Tanaka的相变描述 ,给出了小变形、初始各向同性和塑性不可压缩条件下形状记忆合金的三维本构方程。对不同温度下形状记忆合金材料的特性进行了描述 ,较好地预言了单调及循环加载下的响应和正、反相变行为及其温度影响 ,动态相变过程对应力响应的影响 ,高温相下的强度增加等。     

考虑膨胀力的非饱和介质热-水-应力耦合二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,使用Galerk in方法,将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,开发出了一个可考虑膨胀力的用于分析非饱和介质中热-水-应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序.通过对一个假定的核废料地下处置库的热-水-应力耦合问题的数值计算,比较了无、有膨胀力时的情况,在定性上验证了该程序的正确性.     

混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法

提出了一个火灾下混凝土中化学-热-湿-力耦合过程分析的两级数学模型. 混凝 土模型化为充满两种非混溶孔隙流体的非饱和变形多孔多相介质. 数学模型基于控制干空 气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒和焓(能量)守恒的耦合 偏微分方程组. 模型中特别考虑到了高温下的脱盐过程. 构造了一个用于数值模拟 化学-热-湿-力耦合行为的有限元求解过程的混合弱形式. 并且针对其中具有非自伴随算子特性的 双曲线控制方程的空间离散进行了特殊考虑. 数值结果例题显示所发展的数学模型和数值方 法在重现火灾条件下的混凝土中化学-热-湿-力耦合行为的有效性.     

固体热-化-力耦合连续介质理论的研究现状与展望

考虑化学作用的固体多场耦合问题涉及开放系统中多组分物质的复杂动力学过程.这些过程不仅具有不同时空尺度下的多重热力学作用机制,还会引起材料性质的不断变化.深入认识热、化学、力学相互作用下物质与能量的传递和转化方式,合理描述化学反应与固体力学行为的相互影响并建立严密的耦合理论体系,不论是对新型智能材料的功能优化设计,还是对传统材料和结构在耦合场中的性能评估与预测都至关重要,也是当代固体力学发展的一个重要方向.本文针对各领域中广泛存在的固体传热、传质、化学反应和力学行为相互耦合的问题,按照传质-变形耦合问题、反应-变形耦合问题及热-化-力完全耦合问题几种主要类型,介绍了相关连续介质理论建模和求解等方面的研究进展,重点对耦合理论建模中常涉及的几类关键问题进行了深入分析和讨论,并对今后固体热-化-力耦合问题的研究进行了展望.     

核主泵用双锥度端面流体静压机械密封热弹流效应研究

针对核主泵用双锥度端面流体静压型机械密封热弹流效应研究在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,提出了收敛型双锥面流体静压型机械密封,并建立了热-流-固耦合数学模型;通过采用有限差分法求解端面温度和端面流体膜压的控制方程组,采用有限元法求解密封环的热、弹变形,对密封进行了流、固、热耦合分析,研究了热弹变形对密封性能的影响,并对单锥面和双锥面2种流体静压型机械密封的密封性能、温度分布进行了对比研究.结果表明:双锥面密封与单锥面密封相比,不仅稳定性更好,而且端面温度分布更均匀,可靠性更高,但是泄漏率略有上升;在泄漏入口处即高压侧,外锥面锥度的大小对开启力影响较大,而在泄漏出口处即低压侧,内锥面锥度的大小对泄漏率影响较大;内锥面宽度比取0.05左右时能获得较大的刚漏比.     

高温合金材料循环相关热机械疲劳寿命预测

在变温非线性运动强化规律所描述的高温合金材料热机械寿命应力－应变循环特性的基础上，讨论了应变控制的循环相关热机械疲劳寿命预测技术，所建模型采用了由应变以密度表示的损伤参数，并且引入了温度损伤系数，考虑了温度变化范围以及温度循环和应变循环相位关系对疲劳寿命的影响，在确定模型的一些参数，采用等温力学试验和疲劳试验的数据，为了把等温疲劳研究成果推广到变温疲劳分析领域，开辟了新的途径。     

扫描显微环境下电流加热试件时的温度控制

如何实现扫描电镜(SEM)腔体内电加热试件的恒温控制,对于金属及合金材料在超高温环境下的微观力学性能的原位测量具有重要意义。本文在MATLAB GUI以及串口通信的基础上,建立了SEM环境中高温电加热系统,提出了一种SEM环境下串口通讯控制样品温度的电流加热控制方法,以及高效、灵敏的反馈函数,设计了友好的软件控制和测量界面,在SEM环境中对不同材料进行了测试,实现了单向拉伸加载条件下电流加热钨丝试件1700℃时与镍基单晶合金试件1000℃时,试件的温度波动分别保持在±3℃与±1℃之内。随后,利用该系统完成了1400℃静态和1200℃单轴拉伸与疲劳实验,系统在此温度时依然可获得高质量的原位扫描显微图像。该实验验证了所提方法对电流加热试件温度控制的有效性,为焦耳热加热实现材料高温力学性能研究,以及研究电加热对材料热性能的影响等关键问题提供了可靠的实验平台。     

浮力-热毛细对流表面位型研究

将栅线结构光源系统与图像处理技术相结合,形成一种实时诊断浮力-热毛细对流表面形貌的光学测量系统.研究两端带有温差的矩形池内薄层流体的表面变形.应用图像互相关方法对实验结果进行计算和分析,得到了流体表面变形定量的实验结果.实验结果表明了在浮力-热毛细对流的发展过程中,出现流体表面变形,温度梯度、表面张力、浮力、液固亲润问题、以及壁面温度决定了该表面变形大小和变形方向.     

功能梯度半空间体的热弹性问题研究

本文研究半空间非均匀各向同性功能梯度弹性体的热弹性问题.根据功能梯度材料热弹性体的运动方程,热传导方程以及本构方程,利用状态空间法推导出功能梯度材料的热力耦合微分方程,进一步利用特征值分析法和拉普拉斯逆变换进行求解,得到功能梯度热弹性体在分别只受温度和应力荷载作用时,时域内位移,温度,应力三个物理量的解析解.通过图表,数值分析了半空间功能梯度材料弹性体在热-力荷载作用下各物理场的响应,数值曲线的变化趋势反映了热-力荷载之间的耦合效应.这可以很好的利用在材料设计领域,通过控制材料的梯度参数来控制物理场的极值,从而为未来该材料的工厂加工设计提供理论支持.     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础。针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型。其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合。基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用Laplace变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程。结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测。     

激光热-力耦合作用引起颗粒增强金属基复合材料的损伤与断裂

用激光热冲击作为实验手段,研究了颗粒增强金属基复合材料在热-力耦合作用下的损伤与断裂。在宏观上发现了这种复合材料的破坏效应是热-力耦合的非线性效应。在微观上观察到了微观破坏的三种模式及微观结构对其热冲击性能的影响,同时定量测定了其在不同热-力耦合作用下的损伤程度。