SMA点阵结构的吸能及动态特性研究

作     者：王振鹏 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：芦颉

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：面外压缩 滞回曲线 振动模态参数 随机振动 缺陷 

摘      要：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。