TiNi相變懸臂梁的沖擊響應(yīng)研究.pdf

1、相變對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)可造成重大影響，是固體力學(xué)和材料科學(xué)的基本問題和重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。相變材料由于其獨(dú)特的力學(xué)性能已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其材料性能的研究也相對(duì)成熟，然而對(duì)于相變材料結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能特別是在沖擊載荷下．的響應(yīng)的研究卻十分匱乏。本文主要選取一種基本的工程結(jié)構(gòu)件-懸臂梁作為對(duì)象，從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面，對(duì)具有相變特性的TiNi合金懸臂梁的沖擊響應(yīng)進(jìn)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，對(duì)相變彎曲波在梁中的傳播規(guī)

2、律、相變鉸的形成與發(fā)展規(guī)律、以及相變懸臂梁的沖擊響應(yīng)和吸能特性獲得了較深入的認(rèn)識(shí)，可為其工程應(yīng)用提供依據(jù)。主要結(jié)果有： 對(duì)兩種典型的相變材料FeMnNi合金和TiNi合金的力學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果表明，高速?zèng)_擊下FeMnNi合金的α-ε相變可以引起沖擊波形的強(qiáng)烈變化，并能夠形成多次層裂，Mn、Nj合金元素的同時(shí)加入會(huì)大大降低相變應(yīng)力閾值。TiNi合金由于初始相的不同在室溫下分別處于偽彈性(PE)和形狀記憶(SME)狀態(tài)，馬氏

3、體相變表現(xiàn)出偽彈性行為，而R相變則表現(xiàn)出形狀記憶特性。 利用改裝的SHPB裝置，對(duì)處于PE和SME狀態(tài)的TiNi合金矩形懸臂梁進(jìn)行了橫向沖擊實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊下懸臂梁中的相變鉸具有波動(dòng)性與可回復(fù)性，拉壓不對(duì)稱性并不明顯。對(duì)于PE梁，打擊自由端時(shí)，相變鉸在根部形成，隨著沖擊速度的提高，相變鉸的最大變形增大，并且形成的時(shí)間提前，沖擊速度較高時(shí)，可能在梁中部首先發(fā)生少量相變。打擊位置距離自由端1/3處時(shí)，會(huì)在該處首先形成相變彎曲

4、波，梁中能夠形成多個(gè)相變鉸，靠近根部的兩個(gè)鉸呈現(xiàn)出峰谷相對(duì)、此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。SME梁受沖擊時(shí)首先會(huì)形成R相變彎曲波，當(dāng)發(fā)生馬氏體相變時(shí)也會(huì)形成相變鉸。相變的發(fā)生、相變鉸的存在能夠較快的衰減梁的振動(dòng)，R相變則能夠使得SME梁振動(dòng)衰減更快。沖擊結(jié)束后，PE梁能完全回復(fù)原狀，SME梁殘余變形很小，不隨沖擊速度的增大而增大，并且加熱后可回復(fù)。 采用簡(jiǎn)化的理想偽彈性本構(gòu)模型，從理論上分析了TiNi梁微元段在純彎曲條件下截面上變形行為，揭示

5、了梁截面上相變區(qū)的發(fā)展演化以及相邊界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，給出相應(yīng)的解析表達(dá)式，由此得到矩形截面梁加、卸載過程中的彎矩-曲率曲線，并給出矩形截面梁在完整的加載卸載循環(huán)下由于相變滯回所耗散的能量。 借助有限元計(jì)算軟件LS-DYNA，對(duì)理想偽彈性相變懸臂梁中相變彎曲波的傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，討論了相變彎曲波的產(chǎn)生、傳播、反射以及卸載。相變彎曲波總是通過彈性彎曲波的不斷發(fā)展增大然后產(chǎn)生的，相變峰中心附近可能形成相變鉸，當(dāng)梁截面材料進(jìn)入二相

6、彈性時(shí)，會(huì)形成二相彈性彎曲波，并且波形發(fā)生嚴(yán)重的扭曲。反射彎曲波與入射波關(guān)于固定端近似對(duì)稱，固定端反射彈性彎曲波可以顯著的改變相變彎曲波的波形，而固定端能否發(fā)生相變以及發(fā)生的時(shí)間，取決于到達(dá)固定端并發(fā)生反射的彈性波峰的強(qiáng)度。卸載彎曲波也具有彌散和不斷發(fā)展的特點(diǎn)，卸載波對(duì)加載波的作用取決于兩者波峰相遇時(shí)的位相差，相變彎曲波的卸載使得相邊界發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)受到卸載波和固定端反射波同時(shí)作用時(shí)，整個(gè)相變區(qū)的時(shí)空演化圖表現(xiàn)為許多個(gè)離散的封閉區(qū)域。對(duì)P

7、E懸臂梁在階躍載荷和矩形脈沖載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了相變鉸的不同形式及其演化過程，以及高載短脈沖作用下懸臂梁的變形行為。階躍載荷作用下，可能形成根部相變鉸區(qū)、中部單鉸、雙鉸以及連續(xù)的鉸區(qū)等不同的形式。卸載后相變鉸回復(fù)并發(fā)生移動(dòng)，相變區(qū)在梁內(nèi)重新分布，形成復(fù)雜的演化模式。高載短脈沖的作用下，PE懸臂梁的響應(yīng)可分為四個(gè)相：加載時(shí)彎曲波的傳播與相變鉸的形成、卸載后相變鉸的復(fù)雜演變、梁擺動(dòng)至最大撓度過程中的大幅甩動(dòng)、梁繞根