一种描述形状记忆合金拟弹性变形行为的本构关系

本文给出一种描述形状记忆合金拟弹性变形现象的本构关系,可用于多晶材料在一般应力状态下及单晶材料在单轴应力下的变形情况。该本构关系采用弹性应变与相变应变迭加形式,物理意义明显,形式简洁。对 Cu-Zn-Sn 合金及 Ti-Ni 合金材料的变形行为进行了模拟计算,结果与实验值有较好的吻合。     

形状记忆合金相变塑性的统一本构理论

本文根据单品相变时其宏观(长程)切应变(等效应变)与外加切应力(等效应力)问的幂函数关系假定,建立了形状记忆合金多晶体相变塑性的统一细观本构理论,它推广了现有细观本构理论的结果,消除了现有理论中存在的当外加偏应力趋于零时自由能函数的不连续性和宏观塑性变形的不连续性。这一本构理论将能统一地描述在不同温度和载荷下记忆合金所呈现的各种行为。     

形状记忆合金的多维本构关系

提出了一种具有变材料系数的适用于所有工的形状态记忆合金的多维热力学本构模型。这个本构关系是在ＢｒｉｎｓｏｎＬＣ一维本构模型的基础上推广得到的,将马氏体的体积百分数分成在力诱导的和由温度诱导的两部分。     

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。     

一种描述形状记忆合金拟弹性变形行为的本构关系

本文给出一种描述形状记忆合金拟弹性变形现象的本构关系,可用于多晶材料在一般应力状态下及单晶材料在单轴应力下的变形情况。该本构关系采用弹性应变与相变应变迭加形式,物理意义明显,形式简洁。对 Cu-Zn-Sn 合金及 Ti-Ni 合金材料的变形行为进行了模拟计算,结果与实验值有较好的吻合。     

一种修正的形状记忆合金本构模型数值算法及应用

采用Hughes-Winget算法修正了已有文献所发展的考虑塑性和相变耦合效应的形状记忆合金(SMA)本构模型的积分算法,使其能适用于发生较大转动变形的问题。据此编制了ABAQUS用户子程序UMAT,对SMA弹簧拉伸和"三点弯"等发生较大转动的问题进行了模拟。结果表明,修正算法可减小结构在发生较大转动变形时采用小变形本构模型计算带来的误差,提高计算过程的收敛速度与稳定性。采用本文的修正算法模拟了Ni Ti SMA的大变形拉伸伪弹性和塑性、SMA板的大挠度弯曲伪弹性和SMA弹簧的大变形拉伸伪弹性行为,结果与试验和其他研究者的计算结果吻合较好,证明了该修正算法的有效性。     

形状记忆合金的本构模型及其有限元实施

基于塑性力学中屈服面的概率以及Liang和Brinson提出的马氏体体积百分量和应力,温度间的关系,提出了适用于描述多信形状记忆合金的形状记忆效应和伪弹性效应的本构模型,并用T．T．法对该本构模型进行了非线性有限元实施,算例表明该本构模型与实验结果比较吻合,且只需对现有非线性有限元程度稍做修改就可得到实施,简单易行,有一定的实用价值。     

单晶铁电体的宏细观本构关系描述

以高技术电子材料－铁电单晶体为研究对象，在对铁电体中电畸内的细观力学耦合场分析的基础上，采用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ方法以自洽的方式导出了材料构元的Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ自由能及Ｇｉｂｂｓ自由能函数的解析表达式。并分析在广义应力空间和广义应变空间中，按Ｈｉｌｌ－Ｒｉｃｅ内变量本构理论框架，导出了铁电体畸变屈服面方程，增量型本构关系及内变量的演化方程。文末给出了对ＢａＴｉＯ３单晶材料力电行为的一维数值模拟     

TiNi合金的动态伪弹性行为和率相关相变本构模型

采用万能材料试验机和SHPB实验技术对TiNi形状记忆合金在10-3s-1和102s-1应变率下的伪弹性相变行为进行了实验研究。实验数据表明:TiNi合金的相变过程具有应变率效应,其原因主要是相变阻力受应变率影响应变率越大,相变阻力越大。在三线性热弹性相变模型的基础上,考虑了应变率对相变阻力的影响,并给出了相变阻力的具体形式,建立了一个一维率相关相变本构模型。模型对TiNi合金相变行为的模拟与实验数据吻合较好。     

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.      

形状记忆合金的热力学本构方程

利用形状记忆因子,直观地描述了形状记忆合金(SMA)实现其超弹性与形状记忆效应的热力学宏观过程.根据热力学基本原理并假设SMA为各向同性材料,建立了描述复杂应力状态下SMA热力学行为的三维本构方程.该本构方程具有直观的表述形式且所含材料常数均可以通过宏观实验测定,克服了现存SMA三维本构方程由于表述形式复杂和材料参数不易测定等因素而不便于描述复杂应力状态下SMA热力学行为的局限性.该本构方程还克服了现存SMA三维本构方程不能描述含初始应力和初始应变SMA热力学行为的局限性.数值结果表明,该本构方程能有效地描述复杂应力状态下SMA在实现超弹性和形状记忆效应过程中的热力学行为,为SMA的工程实际应用提供了理论基础.     

超弹性NiTi合金丝动力特性试验及本构模型研究

形状记忆合金(SMA)是一种兼具感知和驱动功能的功能材料,因其独特的形状记忆效应、超弹性和高阻尼等特性,成为土木工程结构振动控制的理想材料.论文研究了超弹性NiTi丝的动力特性和应变率相关的本构模型.试验测试了NiTi丝在不同应变率下的力学性能,建立了应力增量与应变率的关系方程.在试验的基础上,提出了改进的SMA本构模型,新模型能够描述SMA应变率相关特性,并通过仿真结果和试验结果的比较,验证模型的正确性和适用性.研究结果表明:动力荷载下,NiTi丝每循环耗散能量、割线刚度和等效阻尼比在开始阶段均快速增大,当应变速率大于1.0×10-3/s后,趋于平缓;数值结果和试验结果吻合较好,改进模型在一定程度上可以描述NiTi丝应变率相关的动力特性.     

A MODEL CONSIDERING HYDROSTATIC STRESS OF POROUS NITI SHAPE MEMORY ALLOY

Based on the micromechanical method and thermodynamic theory,a constitutive model for the macroscopic mechanical behavior of porous NiTi shape memory alloy is presented.The hydrostatic stress is considered for porous NiTi according to the transformation function of dense NiTi.The present model takes account of the tensile-compressive asymmetry of NiTi,and can degenerate to model dense material.Numerical calculations,which only need material parameters of dense NiTi,are conducted to investigate the nonlinear and hysteretic strain of porous NiTi,and the predicted results are in good agreement with the corresponding experiments.     

A CONSTITUTIVE MODEL FOR TRANSFORMATION, REORIENTATION AND PLASTIC DEFORMATION OF SHAPE MEMORY ALLOYS

A constitutive model is developed for the transformation, reorientation and plastic deformation of shape memory alloys (SMAs). It is based on the concept that an SMA is a mixture composed of austenite and martensite, the volume fraction of each phase is transformable with the change of applied thermal-mechanical loading, and the constitutive behavior of the SMA is the combination of the individual behavior of its two phases. The deformation of the martensite is separated into elastic, thermal, reorientation and plastic parts, and that of the austenite is separated into elastic, thermal and plastic parts. Making use of the Tanaka’s transformation rule modified by taking into account the effect of plastic deformation, the constitutive model of the SMA is obtained. The ferroelasticity, pseudoelasticity and shape memory effect of SMA Au-47.5 at.%Cd, and the pseudoelasticity and shape memory effect as well as plastic deformation and its effect of an NiTi SMA, are analyzed and compared with experimental results.     

CONSTITUTIVE MODELING OF ROLLED SHAPE MEMORY ALLOY SHEETS TAKING INTO ACCOUNT PRE-TEXTURE AND ANISOTROPIC HARDENING

The drawing or rolling process endows polycrystal shape memory alloy with a crys- tallographic texture, which can result in macroscopic anisotropy. The main purpose of this work is to develop a constitutive model to predict the thermomechanical behavior of shape memory alloy sheets, which accounts for the crystallographic texture. The total macroscopic strain is decom- posed into elastic strain and macro-transformation strain under isothermal condition. Considering the transformation strain in local grains and the orientation distribution function of crystallo- graphic texture, the macro-transformation strain and the effective elastic modulus of textured polycrystal shape memory alloy are developed by using tensor expressions. The kinetic equation is established to calculate the volume fraction of the martensite transformation under given stress. Furthermore, the Hill＇s quadratic model is developed for anisotropic transformation hardening of textured SMA sheets. All the calculation results are in good agreement with experimental data, which show that the present model can accurately describe the macro-anisotropic behaviors of textured shape memory alloy sheets.     

形状记忆合金的一种基于经典塑性理论的两相混合本构模型

形状记忆合金由马氏体相和奥氏体相动态组成,其行为实质上是两相各自行为的动态组合.根据实验现象,假设在一定的变形范围内,马氏体相为弹塑性而奥氏体相为线弹性,基于经典塑性理论和混合物理论,结合Tanaka的相变描述,得到了形状记忆合金的一种本构描述.对不同温度下形状记忆合金Au-47.5at.%Cd的铁弹性、拟弹性和形状记忆特性进行了分析,取得了与实验相吻合的结果.     

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.