功能梯度形狀記憶合金熱-力學性能研究.pdf

1、功能梯度形狀記憶合金(Functionally Graded Shape Memory Alloy，簡稱FG-SMA)是一種新興的功能材料，其不僅具有功能梯度材料(Functionally GradedMaterial，簡稱FGM)的連續(xù)變化的材料特性，能夠消除普通層合材料中的應力集中，還具有形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)的獨特的形狀記憶效應和超彈性。FG-SMA以其獨特的物理力學性能引起了材料界的廣泛

2、關注和研究，并開始被應用到許多不同的實際工程領域，這些實際應用必須以該材料的物理力學性能為前提。本文對不同載荷作用下的不同結構形式的FG-SMA的力學性能進行了研究，主要內容如下:
　　首先對由彈性材料和彈塑性材料組成的FGM簡支梁受均布載荷作用的彈塑性變形行為進行分析，得到這種FGM梁受力變形的理論解。文中采用冪函數(shù)來描述FGM梁中組分材料體積分數(shù)的變化情況，應用細觀力學平均化的方法確定材料的整體性能。這種方法可以避免直接假設F

3、GM的整體性能的變化，而且可以考慮不同材料的泊松比的影響。此外，對于本文研究的FGM梁，只有一相材料（彈塑性材料）發(fā)生屈服，屈服函數(shù)完全由彈塑性材料的應力確定，而非FGM的整體應力。這種方法更加接近材料的真實情況，而已有的直接假設FGM整體性能變化的方法無法真實模擬該情況。
　　通過充分考慮組分材料各自的本構關系，本文給出了FG-SMA復合材料梁在純彎曲載荷作用下的受力變形行為的理論解。其中SMA的本構關系由分段線性模型確定，這種

4、方法可以避免直接考慮馬氏體體積分數(shù)的復雜的變化形式，有效的簡化計算，并考慮了SMA的拉壓不對稱特性。數(shù)值計算結果顯示，與普通FGM(不含SMA)梁相比，F(xiàn)G-SMA梁能顯著降低梁內的最大應力。通過與實驗數(shù)據(jù)對比可知，上述方法能夠較好的模擬FG-SMA復合材料的力學行為。
　　將熱傳導的理論與復合材料力學的理論相結合，本文對受梯度溫度載荷作用的FG-SMA復合材料板的熱力學性能進行了研究，給出了確定板內某位置處相變狀態(tài)的相變函數(shù)和計

5、算板內熱應力的方法。研究結果表明，在不同的上下表面溫度作用下，板內的溫度場呈非線性的分布;由于溫度和材料性能的不同，板內首先發(fā)生馬氏體相變的位置和區(qū)域并不固定，需要研究特定溫度下的相變函數(shù)來確定板內某位置處的相變狀態(tài)。與已有文獻對比顯示，本文給出的研究FG-SMA熱力學性能的方法是準確有效的。
　　功能梯度多孔形狀記憶合金(Functionally Graded Porous Shape MemoryAlloy，簡稱FGP-SMA

6、)是一種特殊的多孔SMA，其材料內部的孔隙率沿著梯度方向不斷變化。本文應用細觀力學的理論，充分考慮材料的微觀組成和組分材料之間的相互作用，建立了一個FGP-SMA的細觀力學本構模型，該模型可預測FGP-SMA在外力和溫度等復雜載荷作用下的力學行為。應用該模型對FGP-SMA圓柱在單軸壓縮下的力學行為進行了研究。
　　通過對多孔SMA的相變機理進行研究，本文提出了一個新的考慮了靜水壓力的相變勢函數(shù)，建立了一個FGP-SMA的宏觀唯象

7、模型。此外，針對FGP-SMA材料的內部結構特點，介紹了一種能夠用于研究FGP-SMA力學性能的有限元建模方法。數(shù)值計算結果顯示，與單一孔隙率多孔SMA的應力應變關系曲線類似，F(xiàn)GP-SMA的平均應力隨著應變的增大而平滑的增大，沒有明顯的相變轉折點。此外，有限元分析結果顯示，材料內部的馬氏體相變首先發(fā)生在孔隙周圍的高應力集中區(qū)域，并逐漸向其它區(qū)域擴展。
　　文中建立的細觀力學模型、宏觀唯象模型和有限元模型均能較好的模擬FGP-SM