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形状记忆合金点阵结构动静态力学性能研究

形状记忆合金点阵结构动静态力学性能研究

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作者：褚少阳哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

点阵结构是一种具有优越性能的多孔材料,结合形状记忆合金记忆效应,构建形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）点阵结构兼具轻质高强,高耐热、吸声性能、吸能特能和形状记忆特性。作为一种新型轻质智能材料可应用于航天航空、军... 详细信息

点阵结构是一种具有优越性能的多孔材料,结合形状记忆合金记忆效应,构建形状记忆合金（Shape Memory Alloy,简称SMA）点阵结构兼具轻质高强,高耐热、吸声性能、吸能特能和形状记忆特性。作为一种新型轻质智能材料可应用于航天航空、军事领域和医用领域。本文对SMA点阵结构为研究对象,主要开展了以下研究工作:首先,针对不同尺寸金字塔点阵结构、沙漏点阵结构,进行不同加载速率压缩试验。点阵结构单杆的截面为正方形,边长为1mm、2mm金字塔点阵最大压缩破坏载荷为8505N和23300N,1mm沙漏点阵极限载荷1600N。两种不同尺寸的金字塔点阵主要失效模式分别是弹性屈曲和弹塑性屈曲。实验结果表明点阵结构极限载荷和单位体积能量吸收均随加载速率增加而增大。有限元模拟中基于Auricchio本构模型开展了金字塔点阵结构的压缩全过程数值模拟,模拟结果与试验吻合较好。对金字塔点阵、沙漏点阵结构进行加卸载实验,并且考虑不同温度的结构的热恢复效应。实验结果表明120℃后变形恢复趋于稳定,沙漏结构加热恢复效果优于金字塔点阵结构。采用非对称牛顿拉普森迭代方法进行点阵芯子加热恢复仿真,单杆恢复效果与试验吻合较好,说明此方法用于仿真形状记忆合金热恢复效应可行。其次,采用分离式SHPB及有限元数值模拟技术对不同金字塔点阵结构进行了动态力学性能研究,得到点阵结构等效动态应力应变率曲线和应力应变曲线。结果表明SMA点阵结构在冲击过程中,具有明显的尺寸效应,在5m/s冲击速度下,1mm、2mm金字塔点阵极限载荷分别为2.8Mpa和6.8Mpa。通过高速摄像机拍摄冲击过程可看出动态失效过程与静态实验相似,受单杆尺寸影响,芯子出现弹性屈曲和非弹性屈曲两种失效模式。有限元模拟中利用LS-DYNA中Johnson-Cook模型,针对不同尺寸金字塔点阵结构进行了不同速率动态仿真研究,获得动态应力应变曲线,并据此分析结构的能量吸收特性。最后,利用workbench对SMA点阵结构进行初步优化设计,考虑设计因素主要包括冲击速度、几何尺寸和温度等,获得最小透射应变、等效应力和变形的结构数据,进一步筛选计算得出了结构优化后的设计参数。

关键词： SMA 点阵结构 SHPB冲击能量吸收数值模拟

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SMA点阵结构的吸能及动态特性研究

SMA点阵结构的吸能及动态特性研究

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作者：王振鹏哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)具有优越的阻尼特性、超弹性。由于双棱锥点阵结构独特的结构特征使得SMA双棱锥点阵夹芯板兼具轻质高强,高耐热、吸声、吸能和形状记忆特性,可以用作结构的减振吸能。本文针对SMA双棱锥点阵夹... 详细信息

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)具有优越的阻尼特性、超弹性。由于双棱锥点阵结构独特的结构特征使得SMA双棱锥点阵夹芯板兼具轻质高强,高耐热、吸声、吸能和形状记忆特性,可以用作结构的减振吸能。本文针对SMA双棱锥点阵夹芯板,主要从事的研究工作如下:首先,针对不同点阵芯子形式、数量及尺寸的SMA点阵夹芯板进行了面外压缩试验,分析发现,SMA金字塔点阵的主要失效形式是芯子杆件的屈曲,而双棱锥点阵结构的主要失效形式是点阵芯子杆件的弯曲,金字塔单胞在载荷强度为145N时达到弹性极限,双棱锥单胞则是在209N时达到弹性极限。2x2双棱锥点阵弹性极限载荷为620N,3x3双棱锥点阵弹性极限载荷为1700N,4x4双棱锥点阵弹性极限载荷为3200N。弹性极限载荷与双棱锥单胞数目近似存在线性关系,每增加一个单胞,点阵夹芯板的承载能力上升200N。通过对加载速率、应变幅值、循环次数对SMA双棱锥点阵芯子力学性能影响的研究发现,加载速度增加2mm/min,能量减弱2.44%,加载次数每增加十次,能量变化率衰减2.5%左右,载荷强度每增加100N,能量增加20 N·mm。随着加载次数、加载速率的增加,点阵的吸能能力逐渐减弱,并趋于稳定。其次,通过对四边固支、对边固支、一边简支对边固支、四边简支、对边简支边界条件,以及不同振动量级、芯子尺寸的SMA双棱锥点阵夹芯板进行正弦扫频实验,发现四边固支条件下的第三阶固有频率最大,一边简支对边固支边界条件下的前三阶固有频率最小;四边简支条件下的面板中心位置的加速度响应幅值最小,四边固支条件下的加速度响应幅值最大。随着振动量级的增大,SMA点阵夹芯板的加速度响应幅值会变大,共振频率减小。芯子尺寸的增大对固有频率的影响较小,但是会导致加速度响应幅值减小。仿真研究发现,边界条件的变化对各阶模态振型影响较大,四边固支条件下结构的前三阶固有频率分别比一边固支边界条件下高130.31%、150.32%、88.76%,随着约束程度的增加,前三阶固有频率都在不断减小。且第二、三阶固有频率的差距不断减小。随后采用随机振动仿真的方法研究了0.01g/Hz、0.05g/Hz、0.1g/Hz振动量级下点阵结构的加速度响应均方根及减振效率,发现随着振动量级的增加加速度响应均方根及减振效率都呈现出增长的趋势。最后通过数值模拟的方法,研究了不同位置、形式、程度的芯子缺失,面板不同开孔位置及数量,不同脱粘位置、形式及程度对夹芯板结构的模态振型及固有频率的影响,研究发现,芯子缺失会导致结构模态振型发生于缺失位置附近的形变向该位置移动,不同缺失位置、形式、程度的模态振型存在差异。夹芯板的四个角缺失芯子缺陷形式的二三阶固有频率最高,中心缺失四个芯子的缺陷形式的第一阶固有频率最高。随着缺陷程度的增加,结构的固有频率减小。四个角点芯子脱粘的第二阶固有频率最高,一组对边各脱粘两个芯子的第三阶固有频率最高,脱粘程度的增强会导致固有频率减小。

关键词：面外压缩滞回曲线振动模态参数随机振动缺陷

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