TiNi相變柱殼的軸向靜動態(tài)屈曲特性研究.pdf

1、相變對材料和結(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)的基本問題和重點研究領(lǐng)域之一。形狀記憶合金(SMA)是典型的相變材料，因此，SMA柱殼的沖擊力學(xué)行為的研究必須涉及相變對其影響的研究。 本文針對工程中廣泛使用的基本構(gòu)件-圓柱薄殼結(jié)構(gòu)作為研究對象，從實驗和數(shù)值模擬兩個方面，對處于偽彈性狀態(tài)(PE)的具有相變特性的TiNi合金柱殼的準(zhǔn)靜態(tài)及軸向沖擊響應(yīng)進行了較為系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象和新規(guī)律，對不同尺寸，不同邊界條

2、件下相變柱殼靜壓屈曲特性以及相變鉸的形成與發(fā)展規(guī)律、以及單脈沖加載下相變柱殼的動屈曲響應(yīng)響應(yīng)和吸能特性獲得了較深入的認識，得到一些有意義的結(jié)果，可為其工程應(yīng)用提供依據(jù)。 PE態(tài)相變柱殼的靜壓屈曲特性明顯不同于彈塑性柱殼，與馬氏體相變和相變鉸的行為相關(guān)，卸載后可恢復(fù)原狀。相變柱殼的徑厚比D/t和長徑比L/D兩大尺寸要素與相變屈曲模式之間關(guān)系密切。在相同的長徑比下，隨著徑厚比增大，相變柱殼的周向折屈邊數(shù)增多，即周向折屈瓣數(shù)增加。

3、 相變柱殼的靜壓比能Se與相變柱殼的幾何尺寸，屈曲模態(tài)關(guān)系密切，長徑比較小時相變柱殼的比能隨著徑厚比增大而減小。三瓣的相變屈曲模式靜壓比能Se最大，二瓣與混合模式次之，四瓣屈曲模式最小。其中長徑比為2.5，徑厚比為30時的三瓣屈曲模式，其靜壓比能Se最大，達到2257.62J·Kg-1。 采用簡化的理想偽彈性本構(gòu)模型，從理論上分析了TiNi相變柱殼周向相變鉸處微元段在軸壓失穩(wěn)條件下截面變形行為，揭示了殼體截面上相變區(qū)的發(fā)展

4、演化以及相邊界的運動規(guī)律，給出相應(yīng)的解析表達式，并給出軸壓失穩(wěn)下整個殼截面在完整的加載卸載循環(huán)下由于相變滯回所耗散的能量。 我們改進了原有的分離式Hopkinson壓桿裝置，使得只產(chǎn)生單脈沖加載，對不同長徑比和邊界條件下的PE相變柱殼進行了較為系統(tǒng)的單脈沖軸向加載沖擊實驗。實驗中發(fā)現(xiàn)：不同邊界條件和不同長徑比呈現(xiàn)出不同的屈曲模態(tài)。相變柱殼中的相變鉸具有以下特點：①可回復(fù)性；②出現(xiàn)相變鉸的時間尺度為微秒量級，與波動效應(yīng)耦合在一起，

5、變形呈現(xiàn)波動性：③多相變鉸形成。動態(tài)載荷下名義應(yīng)力應(yīng)變曲線滯回面積遠大于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下的滯回面積，吸能效率更高。 對半無限長相變柱殼受階躍載荷沖擊的數(shù)值模擬表明，當(dāng)載荷幅值低于相變起始應(yīng)力σMS時，殼體中未發(fā)生相變，僅有彈性縱波傳播，未出現(xiàn)屈曲。當(dāng)載荷幅值高于σMS時，理論上應(yīng)出現(xiàn)彈性波和相變沖擊波的雙波結(jié)構(gòu)，計算表明在彈性波后方對應(yīng)于相變沖擊波的范圍出現(xiàn)了軸對稱的屈曲波紋，屈曲邊界的傳播速度在460-500m/s之間。計算分析還

6、表明，由于突加沖擊下橫向慣性效應(yīng)產(chǎn)生的彎曲擾動，相變區(qū)材料模量的突然軟化以及較高的軸向應(yīng)力載荷是引起相變柱殼沖擊屈曲的物理機制。 對具體沖擊實驗的數(shù)值模擬結(jié)果表明：相變柱殼的卸載恢復(fù)過程在柱殼結(jié)構(gòu)中是不均勻的，伴隨著殼體局部應(yīng)力釋放和局部應(yīng)力集中，可以分為以下四個階段：1、柱殼中部發(fā)生彎曲變形的殼體應(yīng)力首先釋放，2、靠近入射桿端的殼體應(yīng)力繼續(xù)釋放，3、靠近透射桿端的殼體應(yīng)力釋放，第一層與第二層相變屈曲皺褶消失，4、柱殼整體彈性振