铁磁形状记忆合金的力学行为研究进展

铁磁形状记忆合金是一种新型的多功能材料, 它除了具有传统的温控和应力控制记忆合金的一般特点外, 还可以在磁场 的作用下输出应变, 极大地拓展了传统的形状记忆合金应用前景.材料力学行为的研究是材料得以广泛应用的前提. 本文对铁磁形状记忆合金力学行为的研究文献进行了综述, 着重介绍了铁磁形状记忆合金力学行为的研究现状, 系统阐 述了晶体的成分、磁场强度、外应力以及温度等因素对力学行为的影响, 并概述了铁磁形状记忆合金本构模型的研究进展.     

形状记忆合金的本构关系

本文主要介绍一种金新功能材料－形状记忆合金的本构关系的发展，简要介绍该材料的一些力学行为和工程中的应用。     

形状记忆合金力学行为与应用综述

本文对形状记忆合金的特性、本构模型及其在不同领域中的应用进行了综述。分析了形状记忆合金材料和力学特性及其在智能结构中的应用。介绍了现有微观、介观和宏观本构模型描述形状记忆合金热力学行为的方法和特点。详细阐述了形状记忆合金在不同领域的应用现状,特别总结了结构优化技术在提升智能结构性能方面的应用,分析了当前形状记忆合金研究中存在的问题,并对其在智能结构中的关键技术与未来发展方向进行了探讨。     

形状记忆合金及其工程应用中的力学分析

本文对一种全新功能材料———形状记忆合金进行力学分析，综述其行为特点、本构关系以及在变形控制、振动控制和损伤监控中的应用，并简要介绍它在应用中存在的问题及改进方法     

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.     

超弹性形状记忆合金管单向拉伸试验的数值模拟

NiTi形状记忆合金具有很强的超弹性行为，这种超弹性行为是由于材料在应力作用下发生可逆的马氏体相变所引起。最近Sun和Lee^[4]在NiTi形状记忆合金管单向拉伸试验中观测到，应力诱导马氏体相变具有螺旋带状的形貌特征，本文对此作了数值模拟研究。采用包含应变软化效应的三线性本构关系，建立了NiTi形状记忆合金管的三维有限元模型。通过迭代计算，成功地再现了试验中所观察到的螺旋状相变带从形成到长大的全过程。数值计算结果表明，产生这一独特现象的力学机制，在于NiTi形状记忆合金管在拉伸状态下出现的局部变形失稳极其传播。     

应变率历史对记忆合金在高应变率拉伸下力学行为影响的实验研究

利用分离式拉伸霍布金森杆（ＳＨＳＢ）装置考察了高应变率拉伸作用下形状记忆合金的力学行为，并研究了高应变率历史对高应变率拉伸作用下力学行为的影响．研究表明，记忆合金是一种对应变率非常敏感的材料，与准静态载荷作用下应力应变关系相比，高应变率使屈服应力提高，并随着所经历的应变率水平的升高，同一高应变率下屈服强度明显增加．     

一种新型的接触压力传感器

利用碳材料的压阻效应,研制开发了一种新型的接触压力传感元件碳膜压力传感器,可以直接用它来定量测量两接触体间的接触压力．文中对接触压力传感器的压力电阻（σ－ΔＲ／Ｒ）关系进行了标定,测定了铁基形状记忆合金管接头与被连接管间的接触压力．经与光力学一有限元数值分析混合法结果进行比较后表明;这种新型的碳膜式接触压力传感器性能稳定,操作简便     

NiTi形状记忆合金动态压缩力学行为的实验研究

采用材料试验机和SHPB实验技术,对在不同初始温度(298～873K)和应变率(5×10-4、～2.3×103s-1)下的NiTi形状记忆合金的压缩力学行为进行了实验研究。结果表明:马氏体状态下的NiTi合金的力学行为对应变率的变化敏感,位错屈服段的硬化模量、相屈服段的硬化模量及马氏体重取向前的弹性模量对应变率的变化不敏感,而位错塑性变形前的弹性模量随应变率的提高迅速增大;奥氏体状态下的NiTi合金随着实验温度升高,无论是应力诱发马氏体相变应力还是奥氏体相屈服应力都逐渐下降,材料表现出温度软化效应。从超弹性温度范围内的卸载曲线中观察到了应力诱发马氏体到奥氏体的逆转变。     

主动探测裂纹和控制裂纹扩展的智能材料结构

将具有特殊力学和物理性能的形状记忆合金──ＮｉＴｉ合金复合于主体材料内部，利用ＮｉＴｉ合金的主要特性，可以实现对构件中裂纹的自行探测和控制．本文对这种材料结构的定义、ＮｉＴｉ形状记忆合金的主要特性、含ＮｉＴｉ合金的杂交复合材料的智能效果、国内外发展动态、自动探测裂纹和控制裂纹扩展的基本原理以及发展的方向和应重点研究的问题等进行了论述．我们通过试验研究证明，该材料结构用于裂纹的探测和裂纹扩展控制，其效果是明显的．     

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.     

用于振动、冲击和噪声控制的SMA智能复合材料结构

本文简要叙述SMA智能复合材料结构的基本概念,介绍其分析和求解的基本力学原理和方法,重点展示其在三个主要应用研究领域,包括振动控制、噪声控制及抗低速冲击的最新进展,并对存在问题和未来的发展给予评述．     

Chaos control of a nonlinear oscillator with shape memory alloy using an optimal linear control: Part II: Nonideal energy source

In Part II of this two-part work, we apply an optimal linear control technique to suppress chaotic behavior in a SMA oscillator, driven by a DC motor with limited power supply (Nonideal sources). Nonideal sources of vibrations of structures are those whose characteristics are coupled to the motion of the structure. Thus, in this case, an additional equation of motion is written, related to the motor rotation. Special attention is focused into the resonance region, when the nonideal excitation frequency is near the natural frequency of the SMA oscillator. Numerical results are presented, which show the efficiency of the method in resonance region. The ideal case, when we do not consider the interaction between an energy source and structure was considered in Part I of this paper.     

Micro–macro analysis of shape memory alloy composites

The aim of the paper is to develop a micro–macro approach for the analysis of the mechanical behavior of composites obtained embedding long fibers of Shape Memory Alloys (SMA) into an elastic matrix. In order to determine the overall constitutive response of the SMA composites, two homogenization techniques are proposed: one is based on the self-consistent method while the other on the analysis of a periodic composite. The overall response of the SMA composites is strongly influenced by the pseudo-elastic and shape memory effects occurring in the SMA material. In particular, it is assumed that the phase transformations in the SMA are governed by the wire temperature and by the average stress tensor acting in the fiber. A possible prestrain of the fibers is taken into account in the model.Numerical applications are developed in order to analyze the thermo-mechanical behavior of the SMA composite. The results obtained by the proposed procedures are compared with the ones determined through a micromechanical analysis of a periodic composite performed using suitable finite elements.Then, in order to study the macromechanical response of structural elements made of SMA composites, a three-dimensional finite element is developed implementing at each Gauss point the overall constitutive laws of the SMA composite obtained by the proposed homogenization procedures. Some numerical applications are developed in order to assess the efficiency of the proposed micro–macro model.     

机敏材料和机敏结构的力学分析

机敏材料是一种具有传感和执行的双重功能的功能材料，它无需外界的帮助，而本身就可以在电、磁、热、机械运动、光、声、化学、流变等等性能中的几项之间产生耦合行为，当机敏材料和具体结构形式结合在一起时便构成了机敏结构。本文重点介绍了比压电体更为一般化的线性电磁热弹性固体的一些基本理论，综述了压电体的材料力学分析以及压电体在机敏结构控制中的力学行为分析。最后则简略讨论了其它机敏材料中的力学分析。     

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。     

SMA阻尼器的阻尼特性分析及器件设计方法

提出了SMA中心引线型阻尼器的力学计算模型，以Brinson本构模型为理论依据建立了阻尼器的阻尼特性分析理论及器件设计方法；利用MATLAB编制的仿真软件进行了实例仿真。结果表明SMA阻尼器具有明显的阻尼特性，加上其耐久性和免维护性，适合用于土木工程的结构振动被动控制。     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.