TiNi合金圓薄板的沖擊響應(yīng)研究.pdf

1、相變材料具有獨(dú)特的力學(xué)性能，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)帶來(lái)重大影響，成為固體力學(xué)和材料科學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。TiNi合金是研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種相變材料，在航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而，對(duì)于TiNi合金結(jié)構(gòu)件在沖擊載荷下的響應(yīng)的研究并不多。本文選取工程上廣泛應(yīng)用的基本構(gòu)件-板作為研究對(duì)象，分別從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值兩方面對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖擊下，周邊固支TiNi合金板的力學(xué)行為進(jìn)行系統(tǒng)的研究，揭示在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下相變的產(chǎn)生

2、、發(fā)展以及演化規(guī)律，為相變構(gòu)件的理論研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。
　　 采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)周邊固支TiNi合金圓薄板在集中載荷作用下的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了研究，利用陰影云紋法和應(yīng)變片方法得到了載荷位移曲線，全場(chǎng)離面位移和局部應(yīng)變等數(shù)據(jù)。載荷位移曲線呈現(xiàn)非線性滯回和無(wú)殘余變形的特性，表明試樣已經(jīng)發(fā)生馬氏體相變。應(yīng)變測(cè)量顯示，相變局限于加載中心較小區(qū)域，相變區(qū)內(nèi)，環(huán)向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變，且拉伸側(cè)應(yīng)變大于壓縮側(cè)的應(yīng)變。有限元模

3、擬揭示出相變區(qū)內(nèi)兩側(cè)表層的相變范圍、相變鉸區(qū)和馬氏體相含量的不對(duì)稱分布規(guī)律。
　　 采用數(shù)值方法研究了周邊固支TiNi合金圓薄板在均布載荷作用下的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)行為，相變首先發(fā)生在板邊緣加載側(cè)，并隨著載荷的增大相變區(qū)和相變含量增大。當(dāng)載荷超過(guò)3.2Pc時(shí)，在板自由側(cè)自中心開始發(fā)生相變，隨載荷幅值的增大相變區(qū)迅速向外擴(kuò)展;載荷為5Pc時(shí)，板自由側(cè)表層相變區(qū)的半徑擴(kuò)大至67.5mm，但相變含量較低，加載側(cè)中心區(qū)仍處于奧氏體彈性狀態(tài)。

4、r>　　 利用改進(jìn)的SPHB裝置，對(duì)處于PE狀態(tài)的周邊固支TiNi圓薄板進(jìn)行了不同子彈長(zhǎng)度和彈速的沖擊實(shí)驗(yàn)，并與彈塑性板進(jìn)行了對(duì)比研究。初步得到了該結(jié)構(gòu)在時(shí)空2個(gè)尺度上的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的演變發(fā)展現(xiàn)象和規(guī)律，包括板中彎曲波的傳播、相變區(qū)的演化和全場(chǎng)的離面位移等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沖擊下TiNi合金板的響應(yīng)過(guò)程可分為早期波動(dòng)響應(yīng)、整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)和后期自動(dòng)振動(dòng)三個(gè)階段。相變首先發(fā)生在撞擊點(diǎn)附近的中心區(qū)域并形成相變鉸，相變區(qū)以及相變鉸區(qū)具有明顯的可回復(fù)性并

5、承擔(dān)了大部分的變形和能量吸收。在沖擊過(guò)程中，相變區(qū)以及相變鉸區(qū)具有波動(dòng)性，在板兩側(cè)相變區(qū)以及相變鉸區(qū)呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性。對(duì)于不同子彈在長(zhǎng)度不同而動(dòng)能幾乎相同的情況下沖擊TiNi合金圓薄板，長(zhǎng)子彈沖擊時(shí)板的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，子彈和板脫離的時(shí)間比較短，板中心形成的相變區(qū)半徑略大，而板中心的最大撓度差別不明顯。
　　 借助于有限元軟件LS-DYNA，對(duì)周邊固支TiNi合金圓薄板在階躍載荷矩形載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值研究，分析了相

6、變鉸的演化過(guò)程，以及高載短脈沖作用下板的變形行為。階躍載荷作用下，會(huì)在邊界形成相變鉸區(qū)、中部鉸帶以及連續(xù)的鉸區(qū)等不同形式。矩形載荷作用下，在相同沖量作用下，載荷的幅值高，外力做的功多，相應(yīng)板中心的撓度大，相變區(qū)、相變鉸區(qū)的范圍大，相變持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)。從能量耗散的角度來(lái)看，TiNi板耗散能量時(shí)間比較長(zhǎng)，在板第一次回復(fù)到平衡位置前的這一段時(shí)間，耗散的能量超過(guò)總能量的45％，隨后每個(gè)周期（板到達(dá)平衡位置的時(shí)間間隔）耗散的能量與總能量的比值依次降