温度对铁基形状记忆合金回复应力与力学性能的影响

为研究温度对铁基形状记忆合金(Fe-SMA)回复应力的影响与力学特性,开展了Fe-SMA温度相关力学性能实验及其影响规律研究。首先,通过预拉伸、激活实验研究了不同激活温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响规律,并在实验研究的基础上,建立了Fe-SMA回复应力-温度的经验本构模型;其次,进行二次加热实验研究了不同激活温度、附加荷载和暴露温度对Fe-SMA棒材回复应力的影响;最后,通过高温后的Fe-SMA棒材单调拉伸实验,研究其高温后的力学性能。研究结果表明,建立的Fe-SMA回复应力-温度的模型,可以有效地模拟Fe-SMA的回复应力与温度的关系;在二次加热过程中,当激活温度低于200℃时,Fe-SMA具有较高的应力保持比。Fe-SMA棒材的应力损失随着附加荷载和暴露温度的增加有所增大;在经历高温后,剩余的形状记忆效应使得Fe-SMA棒材的应力高于初始应力,并且其弹性模量和极限强度保持相对稳定,而屈服强度随着暴露温度的升高而略微增加。该研究可为Fe-SMA构件的抗火设计与应用提供参考依据。

面向水下无声推进的形状记忆合金丝驱动柔性鳍单元

水下无声推进是潜器追求的理想目标,但几乎所有成熟的潜器都应用螺旋桨推进,噪声较大,推进效率随航度变化波动大,限制了潜器的应用。基于大多数鱼类和鳍波动推进时的乌贼的游动基本动作为柔性弯曲这一事实,从软体动物乌贼的鳍结构获得启发,借鉴其肌肉性静水骨骼原理,提出并研制嵌入形状记忆合金丝驱动的仿生柔性鳍单元,对柔性鳍单元进行转角理论分析及水中弯曲、回复试验,研制并试验基于柔性鳍单元的微型机器鱼。柔性鳍单元通过电流驱动,以模块化形式安装,实现身体/尾鳍推进、胸鳍波动推进等功能。柔性鳍单元为动作无噪声,转角大,无相对移动的机械部件,具有足够的输出力,结构简单,隐蔽性好,可实现水下无声仿生推进,在微小型水下机器人上应用具有优势。

形状记忆合金丝驱动的仿生转动关节臂

提出了动物关节臂的力学模型，讨论了形状记忆合金（ＳＭＡ）和动物骨骼肌生物力学行为的相似性和力学性能的差异．基于仿生学的原理，研究了用ＳＭＡ丝驱动仿生转动关节的技术．研制了能实现ＳＭＡ感知功能的控制电路和ＳＭＡ丝驱动的仿生转动关节驱动器，并用该关节驱动器开发了一个两自由度的微型关节臂，该微型关节臂可用于微型步行机器人和人工假肢．

NiTi形状记忆合金丝的电阻与应力、应变的关系研究

形状记忆合金是智能材料与结构中很有希望的驱动材料。本文研究了外加应力和残留应变对形状记忆合金ＮｉＴｉ丝的电阻的影响。研究发现，在３０℃下的恒温过程中，外加应力对ＮｉＴｉ丝电阻的影响可以分为两种情况，一种是在弹性变形过程中，电阻随着应力的增加呈线性增加；另一种是在发生组织变化的过程中，当发生应力诱发马氏体相变时，电阻降低；当发生马氏体孪生变形时，电阻随着应力的增加而增加。应变对电阻的影响表现为随着ＮｉＴｉ丝的残余应变量的增加，电阻线性地增加。

形状记忆合金丝驱动的触手推进式仿生水母

为研制一种高效自主游动的新型水下机器人,受水母的身体特征和鱼尾的推进模式的启发,利用智能材料———形状记忆合金丝(shape memory alloy,SMA)模拟肌肉纤维作为驱动材料,在对水母整体结构进行仿生改造,并对其运动策略进行分析的基础上,研制了一种由6个仿生触手推进器驱动的仿生机器水母原理样机.该机器人总长230 mm,直径110 mm,总质量590 g,自带能源动力,在无线遥控下能达到115 mm/s的直线游动速度和18°/s的转弯速度.实验结果表明:该仿生水下机器人结构、密封简单,机动性强,能够无声推进,并具有生物友好性等优点,验证了形状记忆合金丝做仿生肌肉材料的可行性.

形状记忆合金丝驱动的仿生喷射推进器

为了给水下机器人提供一种高速、高效、高机动性、高隐蔽性的推进器,研制了一种采用形状记忆合金丝驱动的模仿乌贼喷射推进原理的仿生喷射推进器.对乌贼的喷射推进机理和乌贼外套膜肌肉结构进行了分析.在适当简化的基础上,模仿乌贼外套膜的肌肉结构设计了记忆合金丝驱动的仿生喷射推进器结构,建立了推进器的几何模型.对推进器样机进行了初步性能实验.实验结果表明:仿生喷射推进器径向收缩均匀,能较好地模仿乌贼外套膜的柔性收缩运动,最大收缩应变8.8%,最高游速58 mm/s.该推进器结构简单,动作柔性好,游动无噪声,为研制仿生机器乌贼奠定了基础.

形状记忆合金丝训练测试系统的研制

为给形状记忆合金丝提供自动训练装置,并能实时测量其动作过程中应力、应变及内部电阻的变化,研制了基于LabVIEW和研华数据采集卡的步进电机驱动的形状记忆合金丝训练测试系统。该训练测试系统能够方便地实现不同型号形状记忆合金丝的自动训练过程,并能测试形状记忆合金丝在不同通电条件和外力条件下的性能。实验结果表明,采集到的形状记忆合金丝的数据准确性较高,并能实时地显示和存储,为形状记忆合金丝的进一步应用和控制提供了实验数据基础。

形状记忆合金丝驱动的柔性机械臂建模与实验

针对传统机械臂在水下特殊环境中柔性不能满足应用需求的问题,在分析章鱼腕生物学肌肉组织结构的基础上,设计形状记忆合金(SMA)丝驱动的柔性机械臂.建立柔性机械臂的力学模型、SMA丝的热力学模型和本构模型.通过实验研究不同驱动电压和脉宽调制(PWM)方波的占空比对SMA丝电阻和柔性机械臂弯曲角度的影响.实验结果表明,柔性机械臂能够实现连续的柔性弯曲运动,最大弯曲角度为60°,驱动电压、PWM占空比、SMA电阻和柔性机械臂弯曲角度关系的实验结果与理论分析结果吻合较好.

形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器的仿真和实验研究

单尾鳍推进的仿生鱼会产生周期性的、较大幅度的侧向力,使得鱼体产生横向振荡和偏摆,不利于游动的稳定性。为了消除侧向力的影响,提出一种双尾鳍摆动推进的策略,通过双尾鳍的对称摆动来抵消摆动时产生的侧向力。研制了形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器,并通过仿真和实验的方法对双尾鳍的推进性能进行分析。

形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究

研究了一种形状记忆合金(SMA)丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上,建立了鳍波动运动学模型,研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器,并进行了试验研究。结果表明,仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动,波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大,鳍波动推进力呈周期性变化,瞬时推力在驱动脉冲宽度80ms时达到最大值180mN。

一种形状记忆合金丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器

提出并实现了一种SMA丝驱动的仿乌贼水平鳍推进器。通过分析鳍的生理结构和波动规律,建立了仿乌贼水平鳍推进器的波动机构原理模型,提出了柔性鳍单元。然后设计了形状记忆合金丝驱动的、基于柔性鳍单元的无线电遥控仿乌贼水平鳍推进器,并对双侧10鳍单元的仿乌贼水平鳍推进器进行了游动试验。试验表明该推进器可以实现前进、后退、左右转功能,可以实现8mm/s的游动速度和12°/s的转弯速度,它具有无噪声、无污染、驱动电压低、机动性好、结构简单容易密封等优点,其扁平身体结构能够进入狭窄复杂的水下区域进行探测。

TiNi形状记忆合金丝/水泥复合材料的相变行为

研究了 Ti Ni形状记忆合金 /水泥基复合材料的相变行为。差热分析 (DSC)研究结果表明 ,由于水泥基体的约束作用 ,形状记忆合金中剩余取向马氏体的逆相变温度上升。在逆相变开始阶段 ,逆马氏体相变的平均速率较大 ;在复合材料 DSC加热曲线吸热峰结束温度以上 。

形状记忆合金丝-橡胶支座钢框架隔震效果分析

根据作者开发研制的形状记忆合金丝-橡胶复合支座,建立了传统抗震结构和两种不同支座隔震结构体系的运动方程,并对某个实际工程四层钢框架结构进行了数值模拟,分析其在阪神波和ElCentro波作用下的时程反应。研究表明,SMA丝-橡胶复合支座是一种很有效的隔震装置,将它用于钢框架结构,能有效地减小结构的位移、速度及加速度时程反应,而对于加速度峰值较大的阪神波的隔震效果更为明显,说明该复合支座能有效地提供罕遇地震作用下钢结构的隔震效果。

形状记忆合金丝加固古建筑木结构直榫节点抗震性能研究

古建筑木结构中的半刚性榫卯节点在地震中往往先于梁柱等构件发生破坏,是加固保护的关键部位。设计了一种新型形状记忆合金(SMA)丝预防性加固装置,对采用该装置的5个直榫节点及1个未加固节点进行了低周反复荷载试验,研究了采用不同根数和不同预拉应变的SMA丝加固节点的破坏形态、弯矩-转角关系、强度退化、刚度退化、耗能性能、自复位能力以及变形能力,并提出了SMA丝加固直榫节点的抗弯承载力计算方法。结果表明:SMA丝加固节点的抗弯承载力均有不同程度的提升,加固节点的最大抗弯承载力为未加固节点的1.49倍;与未加固节点相比,加固节点的强度退化不严重,表明SMA丝可以在节点转角较大时,仍能持续为节点提供抗弯承载力;加固节点最大转动刚度是未加固节点的2.24倍;随着节点转角的增大,未加固节点的耗能能力逐渐减小,而加固节点的耗能能力先增大后减小;在相同的转角下,随着SMA丝根数和预拉应变的增加,节点相对残余变形均减小,自复位能力增强。研究成果可为古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考。

形状记忆合金丝纺织品应用进展

通过综述形状记忆合金国内外相关文献以及产品报道,综述了记忆合金丝编织和针织结构在医疗外科支架材料以及塑体、智能服饰上的应用,并对其产品的发展进行展望。

轴向运动形状记忆合金层合梁的参强联合共振

该研究探讨了轴向变速运动形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)层合梁在简谐激励下的参强联合共振问题。基于SMA的Falk多项式本构模型,结合Timoshenko梁理论推导了轴向运动SMA层合梁的非线性振动方程。利用伽辽金积分法对其进行时间变量和空间变量的离散,用多尺度法以及坐标变换的方法推导系统参强联合共振的幅频响应方程。通过算例分析,得到不同物理参数变化时的幅频响应曲线图和振幅-参数曲线图,分析了轴向速度、温度及强迫激励对系统参强联合共振特性的影响。结果表明,系统呈现典型的非线性振动特征和复杂的动力学行为。

基于形状记忆合金丝包覆纱的针织物致动器研究

为构建面向软体机器人应用的织物基人工肌肉,设计并制备了1种以镍钛形状记忆合金丝为芯丝、芳纶复丝为外包纤维的包覆纱,利用该包覆纱制备了1种可通过电阻热驱动的纬平针织物致动器,研究了此致动器循环致动特性及其结构参数与致动条件对其致动特性的影响。研究结果表明:针织物致动器受驱动后将沿线圈纵行方向产生弯曲变形;当致动器线圈横列数增加时,其沿织物平面线圈纵行方向输出的致动力值将呈近似线性关系显著增加,而在垂直于织物平面方向输出的致动力略有减小;针织物致动器线圈尺寸的增加将使其沿织物平面内线圈纵行方向输出的致动力增加;致动电流值的增加将使致动器输出的致动力增大;针织物致动器具有稳定、快速的循环致动能力。

退火态Ti-50Ni和Ti-45Ni-5Cu形状记忆合金丝相变行为对比

用X射线衍射仪和示差扫描热分析仪对比研究了350~700℃退火态Ti-45Ni-5Cu和Ti-50Ni形状记忆合金丝的相变行为。结果表明,退火态Ti-45Ni-5Cu和Ti-50Ni合金丝室温组成相皆为单斜结构的马氏体B19′;随退火温度升高,Ti-50Ni形状记忆合金丝的冷却/加热相变类型由B2→R→B19′/B19′→B2型向B2→B19′/B19′→B2型转变(B2,CsCl型结构;R,凌方结构;B19′,单斜结构),马氏体逆相变温度在72~80℃之间变化,相变热滞在41~33℃之间变化;Ti-45Ni-5Cu形状记忆合金丝的冷却/加热相变类型始终保持B2→B19′/B19′→B2型,马氏体逆相变温度在46~65℃之间变化,相变热滞在22~24℃之间波动。与Ti-50Ni形状记忆合金丝相比,Ti-45Ni-5Cu形状记忆合金丝的相变类型稳定,相变温度低,相变热滞窄。拥有较窄相变热滞的Ti-45Ni-5Cu形状记忆合金可用于制作温敏动作器。

退火态Ti-50Ni和Ti-45Ni-5Cu形状记忆合金丝显微组织和拉伸性能对比

用X射线衍射仪、光学显微镜和拉伸试验等研究了退火温度(Ta)对Ti-50Ni和Ti-45Ni-5Cu形状记忆合金丝相组成、显微组织和拉伸性能的影响。结果表明,退火态Ti-50Ni和Ti-45Ni-5Cu合金丝室温组成相均为单斜结构的马氏体B19′和CsCl型结构的母相B2。350~550℃退火态Ti-50Ni和Ti-45Ni-5Cu合金丝皆处于回复阶段,组织呈现纤维状,600~700℃退火态合金丝处于晶粒长大阶段,组织呈等轴状;两种合金的再结晶温度均在550~600℃之间。Ti-50Ni和Ti-45Ni-5Cu合金丝的抗拉强度(Rm)和马氏体再取向平台长度(LM)相近,Ti-50Ni合金丝的马氏体再取向应力(σM)和伸长率(A)大于Ti-45Ni-5Cu合金丝。随Ta升高,两种合金丝的Rm和LM下降,A升高,σM先下降后上升,Ti-50Ni合金丝σM的最小值102.8 MPa在450~500℃退火态合金丝中取得,Ti-45Ni-5Cu合金丝σM的最小值63.3 MPa在400℃退火态合金丝中取得。

退火温度对Ti⁃50.8Ni⁃0.1Zr形状记忆合金丝记忆行为和力学性能的影响

用拉伸试验、差示扫描量热仪、光学显微镜和扫描电子显微镜研究了退火温度对Ti⁃50.8Ni⁃0.1Zr合金丝形状记忆效应、超弹性、力学性能和断口形貌的影响。结果表明:350~400℃和600~700℃退火态Ti⁃50.8Ni⁃0.1Zr合金丝呈超弹性(SE),600℃退火态合金丝的平台应力最大(483 MPa)、残余应变最小(0.1%),350~400℃退火态合金丝SE稳定性最好;450~550℃退火态合金丝呈现形状记忆效应(SME),500℃退火态合金丝的平台应力最小(190 MPa),450℃退火态合金丝的残余应变最大(4.9%)、SME稳定性最好。600~700℃退火态合金丝的塑性高于350~550℃退火态,但强度低于后者;400℃退火态合金丝的抗拉强度最大(1489 MPa),650℃退火态合金丝的伸长率最大(35.1%)。退火态Ti⁃50.8Ni⁃0.1Zr合金丝的断口形貌呈韧窝状,属微孔聚集型韧性断裂,韧窝处存在第二相颗粒和孔洞,退火温度对断口形貌的影响不大。