TiNi相變固支梁的沖擊響應研究.pdf

1、由于相變材料獨特的力學性能，在工程中已經(jīng)得到了廣泛的應用，其材料性能的研究也相對成熟，然而對于相變材料結(jié)構件的力學性能研究，特別是在沖擊載荷下的響應的研究卻十分匱乏。相變結(jié)構的沖擊特性研究無論在應用上還是學術上都具有重要意義。本文主要以固支梁作為研究對象，從實驗和數(shù)值模擬兩個方面，對具有相變特性的TiNi合金固支梁的沖擊響應進行了較為系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象和新規(guī)律。主要結(jié)果有：
　　 采用實驗和數(shù)值模擬方法，研究了大質(zhì)量低

2、速沖擊下的PE狀態(tài)的TiNi合金固支梁的動態(tài)響應問題。通過對相變鉸以及彎矩、軸力在動力響應過程中演化規(guī)律的分析，闡明了大質(zhì)量低速沖擊下相變固支梁的動力響應模式和相變對變形機制的影響。研究結(jié)果表明：固支梁的早期響應以彈性彎曲波傳播的波動響應為主，彈性彎曲波在梁內(nèi)往復傳播約3-5次后，構件逐漸過渡到以整體結(jié)構響應為主。載荷作用下彈性彎曲波逐漸發(fā)展成為相變彎曲波，最終在撞擊點和固支端形成相變鉸。相變鉸的形成使應變和能量沉積明顯局部化，使得梁成

3、為一個二桿鉸接運動機構，中性面偏移，梁的變形演變?yōu)殂q的轉(zhuǎn)動和桿的拉伸變形，軸力成為主要因素。大質(zhì)量低速沖擊下固支梁的響應階段分別為：彈性彎曲波的的傳播和反射；彈性結(jié)構響應；局部相變；相變鉸形成演化；相變鉸的移動；桿機構的形成。局部相變將使得響應出現(xiàn)局部化特征。相變鉸的形成使得梁繞鉸轉(zhuǎn)動，導致鉸區(qū)外的彎矩迅速降低；同時對梁內(nèi)的高頻彎曲波的傳播具有抑制作用。當相變鉸處的材料進入馬氏體相后，相變鉸將分裂并移動。卸載時，相變鉸消失，梁回復至初始

4、態(tài)，這一點不同于傳統(tǒng)的理想彈塑性梁。
　　 利用改裝的SHPB裝置，對處于PE狀態(tài)的TiNi固支梁、鉸支梁進行了小質(zhì)量高速橫向沖擊實驗，同時對固支梁進行了非對稱撞擊。實驗結(jié)果表明：整個響應過程，波動響應和結(jié)構響應的時間分解點大約為1ms。波動響應階段，固支梁在高速沖擊下的響應特征為高幅值的彎曲波傳播。通過與反射波的疊加將在局部特定時刻產(chǎn)生相變，由于該相變區(qū)相變含量較低，并不穩(wěn)定，隨時間的增加將會消失。結(jié)構響應階段，將會形成相變彎

5、曲波的傳播。不同速度沖擊下，彎曲波動階段表現(xiàn)為傳播的彎曲波幅值增加，將引起結(jié)構響應階段的相變含量分布不同。對于鉸支梁，高速沖擊下將會產(chǎn)生高頻低幅值的彎曲波傳播。這些高頻低幅值的彎曲波將使得撞擊位置形成相變鉸的時間增加。對于非對稱撞擊，對于距離撞擊位置較小的一段，將會在撞擊點和固定端形成兩個大的相變區(qū)，中間為彈性區(qū)，對于較長的一段，在中間可能形成相變鉸，呈現(xiàn)與固支梁對稱撞擊不同的特性。由于溫度效應，使得相變區(qū)域擴展，沒有形成理想的二桿鉸接

6、機構。表明相變產(chǎn)生的溫度升高將使得相變鉸硬化，同時相變使得材料軟化，二種效果的綜合效應需要進一步的研究。
　　 通過數(shù)值計算研究了不同質(zhì)量比和不同沖擊速度下相變固支梁的響應，結(jié)果表明，波動階段受沖擊速度影響較大，基本與質(zhì)量比無關。結(jié)構響應與沖擊能量相關，隨著沖擊能量的增加，將會使得結(jié)構從鉸接曲梁機構向二桿鉸接機構轉(zhuǎn)變。軸力產(chǎn)生是動態(tài)沖擊下固支梁結(jié)構響應的固有屬性。軸力的產(chǎn)生使得輸入能量大部分以拉伸變形能的形式存儲。
　　

7、 研究了階躍載荷作用下無限長梁的彎曲波動問題，同時利用數(shù)值計算方法研究了不同幅值階躍載荷作用下TiNi合金固支梁動態(tài)響應。利用模態(tài)疊加法得到了固支梁、簡支梁在階躍載荷作用下的彈性彎曲波解析解，并與數(shù)值計算結(jié)果進行了比較。比較結(jié)果表明：在0.01ms內(nèi)誤差較大，這是由于初始階段主要激起的是高頻彎曲波的傳播，我們采用有限模態(tài)疊加，所以誤差較大；其他時間范圍吻合程度較高。這說明我們數(shù)值計算結(jié)果的有效性。對剪切和轉(zhuǎn)動慣量的影響進行了討論，結(jié)果表

8、明，對我們所研究的梁可以采用Euler理論進行描述。利用2m長的梁模擬了無限長梁的彎曲波動響應。得到了1Fc、2Fc、以及4Fc階躍載荷作用下的彎曲波動響應以及相變響應。利用上述結(jié)果考察了相變對彎曲波傳播的影響。結(jié)果表明，相變對彎曲波的傳播具有抑制作用。在高幅值階躍載荷作用下，相變會發(fā)生在波動階段，低幅值載荷作用下相變會發(fā)生在結(jié)構響應階段；階躍載荷作用下，能量的耗散幅值隨輸入能量的增加而增加；響應過程中，梁的慣性力具有重要作用；最終梁的