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.      

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。     

计及相变微结构演化的形状记忆合金本构描述

基于对NiTi形状记忆合金的实验观察及有限元分析,考虑两相间的应变不协调关系,采用应变修正法建立了计及片层状微结构的本构模型,本模型考虑了两相间的相互约束,及其约束随微结构演化的变化规律.研究了NiTi形状记忆合金微圆管在拉伸和扭转下的响应特性.计算结果与实验结果的对比表明所建本构模型较好地描述了伪弹性响应尤其是较好地描述了拉伸实验过程中的应力跌落现象.     

形状记忆合金结构拓扑优化设计方法研究

形状记忆合金由于其优良的力学特性得到了广泛关注,并形成了一系列具有变革性的创新应用.为了充分提升形状记忆合金结构的力学性能,提出了一种基于实体各向同性材料惩罚模型SIMP (Solid Isotropic Materi-al with Penalization)的形状记忆合金结构拓扑优化方法.基于ZM宏观唯象本构模型,考虑形状记忆合金材料特性,对拓扑优化过程中引入的中间密度材料的奥氏体和马氏体弹性模量以及相变转变应力进行插值.同时,考虑形状记忆合金本身的材料非线性和结构在大变形下的几何非线性效应,以获得准确的力学响应.采用三密度场法来避免最终设计结果出现的棋盘格现象、网格依赖性和大量中间密度单元.利用超单元法来改善由于低密度单元引起的非线性有限元分析过程的数值不稳定问题.利用伴随法对优化模型中的响应函数进行灵敏度分析.最后,通过二维和三维的数值算例验证了本文的优化设计方法,结果表明本文提出的拓扑优化框架能够对预期性能的形状记忆合金结构方案进行求解.     

超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型

超弹性镍钛形状记忆合金因其良好的力学性能以及独特的超弹性和形状记忆效应已广泛应用于土木工程、航空航天和生物医疗等多个领域,在实际服役环境中超弹性镍钛合金元件不可避免地会承受不同应力水平的循环载荷作用,亟待建立描述相变棘轮行为(即峰值应变和谷值应变随着正相变和逆相变循环的进行不断累积)的循环本构模型.为此,基于已有的超弹性镍钛形状记忆合金在不同峰值应力下的单轴相变棘轮行为实验研究结果,在广义黏塑性框架下,对Graesser等提出的通过背应力非线性演化方程反映超弹性镍钛形状记忆合金超弹性行为的一维宏观唯像本构模型进行了拓展,考虑了正相变和逆相变过程中特征变量的差异及其随循环的演化,以非弹性应变的累积量为内变量引入了正相变开始应力、逆相变开始应力、相变应变和残余应变的演化方程,同时通过峰值应力与正相变完成应力的比值来确定演化方程中的相关系数,建立了描述超弹性镍钛合金单轴相变棘轮行为的本构模型.将模拟结果与对应的实验结果进行对比发现,建立的宏观唯像本构模型能够合理地描述超弹性镍钛形状记忆合金的单轴相变棘轮行为及其峰值应力依赖性,模型的预测结果和实验结果吻合得很好.     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高,且性能稳定,在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析,基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型,据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料(UMAT)子程序;利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算,与实验结果的对比验证了计算结果的有效性;在SMA波纹板原始结构基础上,提出了SMA短带错落布置型新结构,并进行了数值模拟分析与验证;提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施,可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

基于UMAT的形状记忆合金驱动波纹板结构的数值分析

形状记忆合金SMA主动驱动波纹板效率高，且性能稳定，在设计自适应智能结构上具有可观的前景。为有效利用有限元法对SMA波纹板结构进行计算分析，基于已有SMA本构模型推导了增量型SMA本构模型，据此编写了可由ABAQUS调用的用户材料（UMAT）子程序；利用该UMAT子程序对SMA主动驱动波纹板结构进行了数值模拟计算，与实验结果的对比验证了计算结果的有效性；在SMA波纹板原始结构基础上，提出了SMA短带错落布置型新结构，并进行了数值模拟分析与验证；提出了新结构的温度控制方案和提高驱动效果的措施，可为SMA驱动波纹板驱动器的设计与应用提供参考与借鉴。     

基于Auricchio F本构模型的SMA垂直曲力学行为分析

描述了Auricchio F形状记忆合金(SMA)的本构模型.基于该模型的本构方程,应用非线性有限元分析方法,对SMA垂直曲的力学行为进行分析,为正畸临床提供理论参考指导.     

海冰动力学中本构模型研究的若干进展

从20世纪70年代, 人们在不同尺度下建立了一系列的海冰动力学本构模型用于海冰数值模拟和预测. 将目前应用的海冰动力学本构模型分为弹塑性、黏塑性、各向异性和颗粒流体动力学中的黏弹塑性模型4类,并分别讨论了各类模型的特点和适用范围. 尤其对在极区及副极区大、中尺度下广泛应用的黏塑性及其改进的本构模型进行了深入地分析. 最后得出: 在大、中尺度下建立海冰动力学的黏弹塑性本构模型是提高海冰动力学计算精度的有效途径; 将小尺度下采用黏弹塑性本构模型的海冰颗粒流体动力学的计算时效进一步改进后, 可在大、中尺度下对海冰的重叠、堆积特性进行模拟; 进一步开展海冰动力学的尺度效应研究, 进行海冰本构模型的实验验证, 并建立不同尺度模型间的相互联系也应是海冰动力学本构模型研究的重要内容.      

形状记忆合金热力学行为的模拟

基于塑性流动法则和马氏体相变动力学 ,引入马氏体体积分数和相变应力间的关系 ,对形状记忆合金的热力学行为进行了模拟 ,算例表明本文提出的形状记忆合金本构模型与实验结果比较吻合 ,且实施起来简单易行 ;最后还用该本构模型进行了有限元分析     

Nonlinear dynamics and chaos in shape memory alloy systems

Smart material systems and structures have remarkable properties responsible for their application in different fields of human knowledge. Shape memory alloys, piezoelectric ceramics, magnetorheological fluids, and magnetostritive materials constitute the most important materials that belong to the smart materials category. Shape memory alloys (SMAs) are metallic alloys usually employed when large forces and displacements are required. Applications in aerospace structures, rotordynamics and several bioengineering devices are investigated nowadays. In terms of applied dynamics, SMAs are being used in order to exploit adaptive dissipation associated with hysteresis loop and the mechanical property changes due to phase transformations. This paper presents a general overview of nonlinear dynamics and chaos of smart material systems built with SMAs. Oscillators, vibration absorbers, impact systems and structural systems are of concern. Results show several possibilities where SMAs can be employed for dynamical applications.     

Three dimensional large deformation analysis of phase transformation in shape memory alloys

Shape memory alloys（SMAs）have been explored as smart materials and used as dampers,actuator elements,and smart sensors.An important character of SMAs is its ability to recover all of its large deformations in mechanical loading-unloading cycles without showing permanent deformation.This paper presents a stress-induced phenomenological constitutive equation for SMAs,which can be used to describe the superelastic hysteresis loops and phase transformation between Martensite and Austenite.The Martensite fraction of SMAs is assumed to be dependent on deviatoric stress tensor.Therefore,phase transformation of SMAs is volume preserving during the phase transformation.The model is implemented in large deformation finite element code and cast in the updated Lagrangian scheme.In order to use the Cauchy stress and the linear strain in constitutive laws,a frame indifferent stress objective rate has to be used.In this paper,the Jaumann stress rate is used.Results of the numerical experiments conducted in this study show that the superelastic hysteresis loops arising with the phase transformation can be effectively captured.     

A three-dimensional constitutive model for shape memory alloys

Shape memory alloys (SMAs) are materials that, among other characteristics, have the ability to present high deformation levels when subjected to mechanical loading, returning to their original form after a temperature change. Literature presents numerous constitutive models that describe the phenomenological features of the thermomechanical behavior of SMAs. The present paper introduces a novel three-dimensional constitutive model that describes the martensitic phase transformations within the scope of standard generalized materials. The model is capable of describing the main features of the thermomechanical behavior of SMAs by considering four macroscopic phases associated with austenitic phase and three variants of martensite. A numerical procedure is proposed to deal with the nonlinearities of the model. Numerical simulations are carried out dealing with uniaxial and multiaxial single-point tests showing the capability of the introduced model to describe the general behavior of SMAs. Specifically, uniaxial tests show pseudoelasticity, shape memory effect, phase transformation due to temperature change and internal subloops due to incomplete phase transformations. Concerning multiaxial tests, the pure shear stress and hydrostatic tests are discussed showing qualitatively coherent results. Moreover, other tensile–shear tests are conducted modeling the general three-dimensional behavior of SMAs. It is shown that the multiaxial results are qualitative coherent with the related data presented in the literature.     

聚脲弹性体力学性能与本构关系研究进展

聚脲是一种由异氰酸酯组分和氨基组分反应生成的新型弹性体高聚物.由于聚脲具有断裂伸长率高、应变率强化、高耗能等一系列优异的力学性能,其在国防、能源、交通等领域显示出广阔的应用前景.目前,国内外学者针对聚脲在不同温度、不同应变率下的静动态力学性能开展了大量研究,在此基础上提出了多种本构模型,对温度、应变率等因素相关的力学行为进行了描述和预测.这些工作为深刻理解聚脲抗冲击机理及材料的进一步应用奠定了基础.文章首先简要介绍了聚脲弹性体的微相分离结构及特点;然后从小变形线性黏弹性和大变形非线性黏弹性两个方面概述了关于聚脲力学性能的研究,包括相应测试技术的发展和聚脲黏弹性影响因素的研究;进一步从变形梯度乘法分解法、遗传积分法、应变-时间解耦法等不同建模方法出发对已建立的聚脲本构模型进行综述,并从应变率范围、温度范围、压力相关性、软化行为表征及模型参数数量的角度对比了不同类型模型的区别;最后针对聚脲力学性能与本构关系下一步研究值得重点关注的问题提出了几点建议.     

铁电材料的本构关系及相关问题研究进展

铁电材料以其力电耦合性能而在传感器、智能材料与结构等诸多领域获得广泛地应用．铁电材料的本构关系也因此成为研究热点．本文对铁电材料的本构关系以及与之相关的细观力学研究方法、宏观唯象研究方法、宏细观相结合的研究方法等问题的国内外研究进展作了一简要的评述．      

聚碳酸酯类非晶聚合物力学性能及其本构关系

聚碳酸酯是一类玻璃态非晶聚合物材料，由于其出色的耐热和抗冲击能力，被广泛地应用于国防军事和工业领域。针对主要应用于聚碳酸酯材料类非晶聚合物，首先回顾了其力学性能实验研究现状，从唯象的角度分析实验结果，揭示这类材料力学性能。其次介绍了这类材料的各种本构模型的发展历程、物理机制、力学特性、适用范围等。最后，概述了各类本构模型在聚碳酸酯类聚合物材料中的应用，从工程应用的角度进一步讨论了本构模型对材料力学行为的表征，同时给出了聚碳酸酯类材料在实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望。     

Mechanical behaviors and constitutive models of polycarbonate amorphous polymers

聚碳酸酯是一类玻璃态非晶聚合物材料,由于其出色的耐热和抗冲击能力,被广泛地应用于国防军事和工业领域.针对主要应用于聚碳酸酯材料类非晶聚合物,首先回顾了其力学性能实验研究现状,从唯象的角度分析实验结果,揭示这类材料力学性能.其次介绍了这类材料的各种本构模型的发展历程、物理机制、力学特性、适用范围等.最后,概述了各类本构模型在聚碳酸酯类聚合物材料中的应用,从工程应用的角度进一步讨论了本构模型对材料力学行为的表征,同时给出了聚碳酸酯类材料在实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望.     

泡沫铝本构行为研究进展

作为泡沫金属的典型代表, 泡沫铝是一种集结构性和功能性于一体的新型材料, 随着生产工艺的提高及国民经济的发展, 泡沫铝在航空航天、交通运输、建筑工程、机械制造等领域的应用日趋深入和广泛. 工程中复杂的载荷工况, 对泡沫铝本构模型的准确性及实用性提出了更高的要求. 国内外学者对泡沫铝进行了大量的试验研究及有限元数值分析工作, 随着各种研究和数值分析本构模型的提出、验证及修正等, 人们对泡沫铝的力学性能及其应用的认识逐渐提高. 本文首先简要概述了泡沫铝力学性能的试验研究及有限元数值分析的进展, 然后重点综述泡沫铝本构行为的国内外研究进展及现状. 最后, 针对目前存在的问题, 讨论并展望了泡沫铝本构行为的研究发展趋势. 完善本构模型表征所需的特征参量, 将各向异性或横观各项同性材料假定引入模型构建体系, 明确静水压缩响应及单轴压缩响应在材料强化中的权重, 建立例如随动强化般更加真实且准确反映泡沫铝强化过程的强化准则, 将应变率效应研究成果引入本构模型中等是现有泡沫铝本构模型体系中的重要研究方向.