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．     

基于尺寸效应的FG-SMA微梁非线性自由振动特性研究

形状记忆合金具有相变温度低、输出应力高、能耗小、驱动电压低、可恢复应变大、生物相容性好等特性。随着形状记忆合金制备技术的进一步发展,有学者提出将功能梯度形状记忆合金材料用于微机电系统等智能微结构,将使其具有更优良的特性。因此开展机电多场耦合功能梯度形状记忆合金微结构的非线性自由振动特性研究具有重要研究价值。本文基于冯卡门几何非线性理论,综合考虑静电力和分子间作用力的影响,考虑尺寸效应,基于修正偶应力理论,建立两端固定的功能梯度形状记忆合金微梁模型,对功能梯度形状记忆合金微梁相变前后的机电耦合非线性自由振动问题进行深入研究,分析了尺寸效应参数、几何结构参数和相变参数等对功能梯度形状记忆合金微梁自由振动特性的影响。     

基于尺寸效应的FG-SMA微梁非线性自由振动特性研究

形状记忆合金具有相变温度低、输出应力高、能耗小、驱动电压低、可恢复应变大、生物相容性好等特性。随着形状记忆合金制备技术的进一步发展,有学者提出将功能梯度形状记忆合金材料用于微机电系统等智能微结构,将使其具有更优良的特性。因此开展机电多场耦合功能梯度形状记忆合金微结构的非线性自由振动特性研究具有重要研究价值。本文基于冯卡门几何非线性理论,综合考虑静电力和分子间作用力的影响,考虑尺寸效应,基于修正偶应力理论,建立两端固定的功能梯度形状记忆合金微梁模型,对功能梯度形状记忆合金微梁相变前后的机电耦合非线性自由振动问题进行深入研究,分析了尺寸效应参数、几何结构参数和相变参数等对功能梯度形状记忆合金微梁自由振动特性的影响。     

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。     

耐磨TiNi形状记忆合金设计准则的有限元研究

采用有限元方法模拟微突体在TiNi形状记忆合金表面的压入过程，研究了伪弹性应变、伪弹性模量和相变启动应力等参数对TiNi合金抗磨性能的影响，并初步确立了TiNi形状记忆合金耐磨材料设计准则．结果表明：伪弹性应变对TiNi形状记忆合金摩擦学性能的影响最显著；就TiNi形状记忆合金耐磨材料的设计而言，应当强调提高伪弹性应变、降低伪弹性模量、增加相变启动应力；同时满足上述3方面要求的TiNi形状记忆合金的耐磨特性最优．     

形状记忆合金纤维复合材料的等效力学行为

在Aboudi提出的胞元模型以及Liu等建立的形状记忆合金的本构模型的基础上，由Legendre多项式，假设每个子胞元的位移场、应变场和应力场，再由子胞元间交界面的应力连续条件和外荷载边界条件推导出基体为弹塑性材料的形状记忆合金纤维复合材料的胞元模型；模拟了呈周期对称的形状记忆合金纤维复合材料受轴向单向拉伸、横向拉伸和横向剪切荷载作用下的等效力学行为，与有限元解进行了比较，结果基本一致。与有限元法比较起来，本文推导出的形状记忆合金纤维复合材料的胞元模型更具高效性。     

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     

损伤自诊断自适应智能材料结构的研究

本文介绍了一种强度型损伤自诊断自适应智能复合材料结构的研究情况。这种智能材料结构基于电阻应变丝为传感元件，形状记忆合金为动作元件。为使结构具有高的灵敏度及诊断精度，文中研究了传感元件的布置方案，提出了四点布置传感元件的方法。同时采用形状记忆合金为动作元件。在自诊断出损伤后，对相应的ＳＭＡ激励，以减小损伤或防止其扩展。     

基于材料相变的声子晶体带隙可调结构设计与性能分析

提出一种基于材料相变的穿孔型带隙可调声子晶体结构.其结构形式为含缝隙的形状记忆合金和环氧树脂的组合体,通过温度变化诱发相变引起的形状记忆合金材料性质的变化,实现声子晶体的带隙变化;通过合理布置缝隙与形状记忆合金相变材料的位置,实现声子晶体带隙性质的可调设计.基于有限元方法,建立了可调声子晶体的分析模型,分析了形状记忆合...     

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.      

Thermomechanical properties of smart composites

The smart composite materials reinforced by SMA show a high performance and special deformation behavior. The thermomechanical constitutive formulas of the composites are derived by means of Eshelby's equivalent inclusion method and Mori-Tanaka's mean field concept. The interaction between the inclusion and crack and toughening mechanism are considered and the energy release rate of a crack in the smart composite is calculated. This work shows that there are the multiple mechanisms contributing to the toughening of the smart composite materials reinforced by SMA.This project is supported by the National Natural Science Foundation of China.     

Analysis of an adhesively bonded single-strap joint integrated with shape memory alloy (SMA) reinforced layers

Shape memory alloys (SMAs) are increasingly becoming a topic of research in the area of smart materials. In this study, the design and analysis of a SMA reinforced joint is presented to elucidate the contribution of the active composite layer to the reduction of stress concentrations in the adhesive layer. Basic thermo-mechanical properties of the SMA are obtained by micromechanics. The forces and moments at the joint edges are obtained by incorporating the thermo-mechanical effect of the active composite layer within the joint. Further, an analytic model based on the first-order shear deformation theory was employed to conduct stress analyses of this joint system. The state-space method was utilized to obtain the final analytic solutions, including the peel and shear stresses in the adhesive layer. Detailed numerical analyses are conducted. The results confirm that the active composite layer significantly reduces stress concentrations at the joint edges.     

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.     

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。     

软体机器人结构机理与驱动材料研究综述

软体机器人是一类新型机器人,具有结构柔软度高,环境适应性好,亲和性强,功能多样等特点,有着十分广阔的研究和应用前景. 智能材料在软体机器人结构设计及实际应用中扮演了重要的角色,其特殊的驱动机制极大拓展了软体机器人的功能. 介绍了软体机器人的发展和研究现状,按其应用场合及功能总结了几种典型的软体机器人. 从仿生机理的角度,介绍了蠕虫、弯曲爬行虫、鱼类游动等几类仿生运动机理以及其相应的软体机器人. 还按不同驱动类型将软体机器人归纳为气动、形状记忆合金、离子交换聚合物金属复合材料、介电高弹体、响应水凝胶、化学燃烧驱动等类型. 介绍了软体机器人的制作方法与工艺,分析了目前软体机器人研究的主要挑战,提出对未来研究的展望.      

压电复合材料梁和板的变形控制问题

由于具有良好的结构、力学性能,复合材料层合板在现代飞行器上大量应用;而压电复合材料,作为一种新兴的智能材料,由于其独特的力电耦合性能得到了人们更多的关注。本文研究含有压电片的复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题。基于经典的梁理论和层合板理论,分别研究了下列问题:(1)双压电片布置的悬臂梁的变形;(2)含有压电层的层合板变形控制问题;(3)含有一对压电片的层合板的变形控制问题。针对上述问题,分别给出了理论解和数值解,并进行了相关讨论分析。结果表明压电材料可对结构进行精确控制,因此本文的结果可对复合材料梁和板在电场作用下的变形控制问题提供工程参考。     

The effective properties of piezoelectric composite materials with transversely isotropic spherical inclusions

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｔｈｅａｐｅａｒａｎｃｅｏｆｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｍａｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ,ｉｔｂｅｃｏｍｅｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｉｍｐｏ...     

Asymptotic homogenization modeling of smart composite generally orthotropic grid-reinforced shells: Part I – theory

We develop in this paper a comprehensive micromechanical model for the analysis of thin smart composite grid-reinforced shells with an embedded periodic grid of generally orthotropic cylindrical reinforcements that may also exhibit piezoelectric properties. The original boundary value problem which characterizes the thermopiezoelastic behavior of the smart shell is decoupled via the asymptotic homogenization technique into three simpler problems the solution of which permits the determination of the effective elastic, piezoelectric and thermal expansion coefficients. The general orthotropy of the constituent materials is very important from the practical viewpoint and it renders the resulting analysis a lot more complicated. In Part II of this work the model is applied to the analysis of several practically important examples including cylindrical reinforced smart composite shells and multi-layer smart shells.