SMA擬彈性對增強復合材料層合板抗彎曲與低速沖擊響應分析.pdf

1、復合材料由于具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空航天及汽車結(jié)構(gòu)中獲得了日益廣泛的應用。然而，復合材料也有一些局限性，最突出的就是對低速沖擊比較敏感，抗低速沖擊能力差。在一定條件下，沖擊載荷會使復合材料出現(xiàn)嚴重的損傷。損傷形式包括裂紋擴展、分層、纖維斷裂和穿孔等。這些沖擊損傷，會導致復合材料沖擊后的強度下降，強度下降的幅度甚至達到50%。因此，人們開展了廣泛的有關(guān)復合材料結(jié)構(gòu)沖擊響應方面的研究。同時，在工程結(jié)構(gòu)中也迫切需要提高

2、復合材料結(jié)構(gòu)抗低速沖擊的能力。
　　 形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）由于具有形狀記憶功能和擬彈性特性等優(yōu)良性能，被廣泛地應用于航空航天、工業(yè)自動化、能源、建筑工程、儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生以及機械制造等工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。近年來，人們開始研究利用SMA的特性來提高復合材料結(jié)構(gòu)抗低速沖擊性能。目前，研究成果主要集中在利用SMA的形狀記憶效應來提高復合材料結(jié)構(gòu)的沖擊響應性能，而對于利用SMA的

3、擬彈性特性改善復合材料結(jié)構(gòu)的沖擊響應性能的研究相對較少。因此，本文根據(jù)教育部科學技術(shù)研究重點項目“低速沖擊下含形狀記憶合金復合材料的動態(tài)響應的有限元和實驗研究”，研究了利用SMA的擬彈性增強復合材料層合板的抗彎曲變形和低速沖擊響應性能，獲得了有意義的結(jié)果。本文主要工作有以下幾方面：
　　 (1)根據(jù)單相纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)的經(jīng)典混合率定律，推導出了SMA增強復合材料結(jié)構(gòu)材料常數(shù)的計算公式，并在此基礎(chǔ)上，給出了一般的SMA增強復合

4、材料結(jié)構(gòu)以及SMA增強復合材料層合薄板的應力—應變本構(gòu)關(guān)系。
　　 (2)根據(jù)擬彈性SMA 遲滯循環(huán)曲線的特點，建立了一種擬彈性SMA應力—應變本構(gòu)關(guān)系的分段線性化模型，研究了具有擬彈性特性的SMA的能量吸收特性。
　　 (3)采用Rayleigh-Ritz法分析了具有能量吸收特性的擬彈性SMA對復合材料層合板彎曲變形的影響。研究結(jié)果表明，SMA的擬彈性特性的可以有效地改善復合材料層合板的抗彎曲變形的性能。
　　

5、 (4)在SMA 應力—應變本構(gòu)關(guān)系分段線性化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)能量平衡原理，采用分步能量平衡法，研究了SMA的能量吸收特性對復合材料層合板低速沖擊響應性能的影響。研究結(jié)果表明，具有擬彈性特性的SMA可以有效地改善復合材料層合板的抗低速沖擊響應性能，并且，隨著SMA中應力誘導的馬氏體含量的增多，其改善復合材料層合板的低速沖擊響應性能的效果更好。另外，研究結(jié)果也表明，擬彈性SMA的能量吸收性能對復合材料層合板低速沖擊響應性能的改善效果，要

6、好于應力誘導的馬氏體相變對復合材料層合板低速沖擊響應性能的改善效果。
　　 (5)為了與能量法的分析結(jié)果進行比較，本文還采用了有限元法并結(jié)合Newmark直接積分法對SMA增強復合材料層合板的低速沖擊響應進行了分析。另外，針對有限元動力方程中剛度矩陣計算的困難，還提出了利用SMA的線性化增量形式的本構(gòu)關(guān)系迭代求解SMA的彈性模量，進而確定剛度矩陣的方法。為了證明本文所提出的低速沖擊響應分析方法的正確性，還研究了Karas1939