用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。

循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金马氏体相变超弹性的影响

采用拉拔变形及低温退火获得了平均晶粒尺寸为15 nm的Ti_(50)Ni_(48)Fe_(2)(原子分数)记忆合金丝材,通过拉伸实验机研究了拉伸应变为6%及20次循环变形对纳米晶TiNiFe记忆合金应力诱发马氏体相变超弹性的影响。结果表明:当循环变形次数由1次增加至20次,纳米晶TiNiFe合金马氏体相变的超弹应力由871 MPa减小至723 MPa,残余应变由0.53%增加至0.73%。本文中的纳米晶TiNiFe合金在循环变形后呈现出高超弹应力和小残余应变,明显优于已经报道的TiNi记忆合金。这主要是由于纳米晶TiNiFe合金中高密度晶界产生的细晶强化和Fe元素产生的固溶强化,由此抑制了合金中位错的产生从而提高了马氏体相变的超弹稳定性。

超弹性形状记忆合金自恢复与耗能平衡设计理念

超弹性形状记忆合金具有优越的自恢复性能,在工程抗震应用中能够赋予结构完美的自复位性能,但由于其超弹性旗帜形本构关系,自身耗能能力十分有限,致使其难以满足结构地震下的抗震需求。探求在保留形状记忆合金自恢复性能的前提下,尝试将超弹性形状记忆合金与摩擦阻尼器组合应用,以使形状记忆合金系统的耗能能力最大化。首先,对超弹性形状记忆合金自恢复耗能平衡设计理念进行深入研究,引入系统平衡参数的概念,提出相应的配比设计公式;随后,通过开展形状记忆合金超弹性性能试验、简易摩擦阻尼器试验以及组合张拉试验,证明上述平衡设计理念的实用性以及平衡设计公式的可行性。平衡设计理念的提出以及其验证能够推进并指导形状记忆合金在工程抗震中的应用。

退火和变形温度对Ti-Ni-Cr形状记忆合金弹簧低温超弹性的影响

利用拉伸试验研究了350~800℃退火态Ti-50.8Ni-0.3Cr合金弹簧在-20~20℃温度范围变形时的低温超弹性。结果表明,在350~800℃温度范围退火时,随退火温度升高,该合金弹簧对外输出应力先降低再升高,而后趋于稳定。在-20~20℃温度范围变形时,随变形温度升高,该合金弹簧对外输出应力增大。要使该合金弹簧在-20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~400℃或550~800℃退火处理;要使该合金弹簧在-10~20℃下获得残余应变较小的超弹性,可对其进行350~500℃退火处理;要使该合金弹簧在-20~20℃下获得较大的能耗,可对其进行450~800℃退火处理。随退火温度升高,该合金弹簧的应变恢复率降低;随应力-应变循环次数增加,该合金弹簧的应变恢复率先降低后趋于稳定。预循环训练能明显提高该合金弹簧应变恢复率的稳定性。

遗传算法在橡胶超弹性材料参数反求中的应用

将优化算法与有限元仿真分析相结合可以对橡胶的材料参数进行反求,该方法基于一款叠层橡胶弹簧的试验数据,并选用Mooney-Rivlin超弹性本构模型。在参数反求的过程中,为解决传统遗传算法出现的早熟、稳定性差以及收敛速度慢的问题,将编码方式改为实数编码,并在算法中引入精英保留策略和自适应的交叉与变异概率。将根据改进遗传算法反求得到的刚度特性曲线与试验结果进行对比,发现二者具有很好的一致性,表明通过反求得到的材料参数能准确地对橡胶材料的力学性能进行描述。

形变热处理对Ti-Nb-Zr合金组织及超弹性行为的影响

Ti-Nb-Zr合金具有低弹性模量、高强度以及优异的生物相容性,在生物医用材料领域备受关注。Ti-Nb-Zr合金的超弹性归因于β↔α″相变。综述了Ti-Nb-Zr合金的弹性模量和超弹性的影响因素及变化规律。通过添加合金元素来调整相变温度和滑移临界应力,应力诱发马氏体相变更易发生,β相塑性变形延迟出现,获得更大的相变应变和恢复应变。总结了Ti-Nb-Zr合金的形变热处理与超弹性效应之间的关系和作用机制。冷轧后短时间热处理可以增加位错滑移的临界应力、避免其他相(ω或α相)的生长,保持β相的稳定性、提高合金的恢复应变和超弹性。

柔性版超弹性现象对线条微观变形影响研究

为了探究柔性版和贴版胶带在印刷过程中的超弹性现象对线条变形影响,本研究运用超弹性理论与压缩实验相结合的方法,构建柔性版和贴版胶带的超弹性模型。通过有限元法分析压印滚筒挤压印版滚筒时柔性版上的线条宽度变化。对多种柔性版材和贴版胶带进行压缩实验,发现压力与变形量呈非线性增长,存在明显的超弹性现象。在柔性版线条压缩的有限元分析中,通过对比柔性版和贴版胶带超弹性模型与线性模型对线宽变形量的影响,发现超弹性模型的线宽变形量大于线性模型。在柔性版印刷过程中,在考虑材料超弹性现象的条件下,选用较大弹性模量的柔性版和较小弹性模量的贴版胶带,能有效地减小柔性版上线条的变形。

超弹性Kirchhoff-Love板壳的相场断裂研究

板壳这类薄壁结构在诸多工程领域得到广泛应用,预测其断裂行为对工程结构的完整性设计和强度评估具有重要意义。超弹性板壳断裂行为的数值仿真需同时考虑复杂的运动学描述、超弹性本构关系、几何非线性和断裂损伤对弹性常数的退化,因此具有一定的挑战性。将Kirchhoff-Love(K-L)板壳理论与断裂相场法结合,采用T样条对位移场和相场的一、二阶偏导进行数值离散,满足了K-L板壳理论对形函数C^(1)连续的要求,建立了超弹性K-L板壳相场断裂模型的等几何分析数值格式,模拟了超弹性K-L板壳在均布载荷和位移加载下的断裂失效行为,研究了高斯曲率对超弹性K-L壳断裂性能的影响。数值模拟结果表明:所建立的数值格式可以有效地捕捉板壳在均布载荷下的复杂裂纹扩展路径,模拟得到的位移场可以有效地反映材料的裂纹分布情况;具有负高斯曲率的薄壳在承受内压作用时具有较好的断裂性能,可以承受更大的内压。

水射流空化对NiTi形状记忆合金显微组织和超弹性的影响

为了探究水射流空化对NiTi形状记忆合金的显微组织和性能的影响机制,采用水射流空化发生装置在自来水介质中对NiTi形状记忆合金进行不同时间的射流空化试验,并借助SEM,XRD,TEM、显微维氏硬度计、纳米压痕仪、激光共聚焦显微镜对样品的显微组织、物相和性能进行表征.结果表明:在射流空化20 min内,NiTi形状记忆合金表面显微硬度和超弹性均随射流时间的延长而增加;当射流时间为15 min时,NiTi形状记忆合金中出现大量位错,表面显微硬度HV达到最大值340.35(载荷约为0.245 N),与原样相比提高约34%;水射流空化对NiTi合金的影响层深度约为300μm;以纳米压痕能量恢复率来衡量合金的超弹性,在水射流空化15 min内,合金的弹性能量恢复率从38.25%提升至45.70%,表明水射流空化处理可有效提升试样的超弹性;NiTi形状记忆合金中显微硬度和超弹性的提升可归因于合金中的位错增殖.

7×19构型NiTi形状记忆合金绞线超弹性试验研究

为充分发挥大直径NiTi形状记忆合金(SMA)绞线的超弹性性能,在常温下对单丝直径1.0 mm的7×19构型SMA绞线进行了循环拉伸试验;分析了热处理方案、应变幅值、循环次数、预训练和加载速率等因素对其超弹性的影响,得到了各因素下SMA绞线的残余应变、能量耗散、等效粘滞阻尼比、强度和刚度等力学参数变化规律。结果表明:针对本研究的7×19构型SMA绞线,400℃退火10 min的热处理方案下其相变应力和恢复率最高,热处理时间过长会造成这些特性严重退化;SMA绞线内部单丝变形和应力发展不均匀程度更高,滞回曲线无明显相变平台;恒定幅值拉伸下SMA绞线的初始弹性模量和极限应力变化相对较小,而相变平台高度、恢复率以及等效粘滞阻尼比退化较为明显;通过预训练的方式可以减轻SMA绞线的功能损伤,显著减小残余变形,提高可恢复能力;加载速率对SMA绞线的马氏体应力和屈服平台切线模量的影响较大,当加载速率超过1×10^(-2) s^(-1)后,滞回曲线对加载速率的变化不再敏感。试验结果可为7×19构型SMA绞线的应用提供数据支持。

基于深度学习和梯度优化的弹性超材料设计

为了建立灵活通用的弹性超材料快速迭代设计框架,并实现考虑材料离散性的拓扑结构和材料参数同步优化,提出基于深度学习和梯度优化的设计方法.以变分自动编码器和带隙神经网络组成的设计网络作为框架,采用自动微分技术和梯度优化算法,利用梯度信息迭代调整设计变量;提出协同优化策略以考虑材料离散性,使结构优化的同时在材料库中选择最佳材料.基于所提方法分别进行约束条件下带隙宽度最大化和指定带隙区间设计,并探讨同步优化和拓扑构型的影响.结果表明,与材料和拓扑结构的单独优化相比,同步优化具有更优越的性能;在相同带隙目标和材料组成下,多层构型可以设计出更小尺寸的元胞.频域和时域分析的数值模拟结果表明,所设计的超材料结构在目标带隙范围内表现出明显的减振性能.

局域共振弹性超材料梁禁带宽度的拓宽方法

针对传统局域共振弹性超材料存在禁带宽度窄的问题,引入非均匀分布振子设计方法,在不改变振子总质量的前提下实现了禁带拓宽。首先,采用谱元法(SEM)建立通用弹性超材料梁模型,对单、双层均匀振子超材料梁结构的振动传递特性进行分析;然后,保持振子总质量相等,提出单、双层非均匀振子超材料梁的设计策略;最后,搭建实验装置对所提结构的振动抑制性能进行测试。研究结果表明:振子间的特征频率差异越大,最终形成的禁带宽度越宽,但禁带范围内的频响曲线会大幅波动,此时可通过加入适当阻尼进行抑制,使禁带曲线变得平稳;对于双振子超材料梁,振子的质量比和阻尼均会对结构的禁带特性产生影响,在振子与梁质量相同的条件下,单层非均匀及均匀振子超材料梁可分别形成带宽为440、68 Hz的禁带,双层非均匀及均匀振子超材料梁可分别形成带宽为395、40 Hz的禁带。研究表明所提超材料结构能够有效实现振动抑制,可为周期结构的振动问题提供一种新的调控方法。

Ni_(50)Ti_(49)Nb_(1)合金的马氏体相变行为与超弹性

通过室温拔丝与晶化退火工艺制得了不同晶粒尺寸的Ni_(50)Ti_(49)Nb_(1)和Ni_(50)Ti_(50)合金丝材。利用差示扫描量热仪(DSC)、电阻测试仪(ER)、X射线衍射仪(XRD)与透射电子显微镜(TEM)表征了样品的热致马氏体相变行为与微观组织结构,利用万能拉伸试验机测试了纳米晶样品在不同温度下的超弹特性。结果表明,两类合金的热致相变均随晶粒尺寸减小而愈发受制,当晶粒尺寸为纳米晶时,B19′相被完全抑制;低温时,纳米晶Ni_(50)Ti_(49)Nb_(1)样品R相受制更强。拉伸测试结果表明,纳米晶Ni_(50)Ti_(49)Nb_(1)样品在218~398 K温域内展现超弹性,显著优于纳米晶Ni_(50)Ti_(50)合金;前者相变临界应力以及应力滞后与温度呈非线性相关,与后者显著不同。研究结果有助于理解微量Nb掺杂对NiTi基合金相变行为与超弹性的影响规律,并为新型超弹合金设计提供思路。

退火温度对TiNi记忆合金马氏体相变超弹性能的影响

采用X射线衍射仪、差示扫描量热法、透射电镜和拉伸试验等研究了退火温度对拉拔变形后的TiNi记忆合金的微观组织、马氏体相变应力、回复应变、残余应变、吸收能量、储存能量及耗散能量的影响。结果表明:当退火温度由350℃升高至550℃,TiNi记忆合金的平均晶粒尺寸由15 nm增大至400 nm,马氏体相变应力由766 MPa降低至115 MPa,回复应变由6.7%减小至0.8%,残余应变由1.3%增大至7.2%,马氏体相变的吸收能量由50.6 MJ/m^(3)减小至8.6 MJ/m^(3),马氏体相变的储存能量由15.7 MJ/m^(3)减小至0.8 MJ/m^(3),马氏体相变的耗散能量由34.9 MJ/m^(3)减小至8.0 MJ/m^(3)。分析认为退火温度对上述TiNi记忆合金马氏体相变超弹性能的影响主要是因为随着退火温度的升高,TiNi记忆合金的晶粒尺寸增大,晶界密度降低,由此降低了合金应力诱发马氏体相变的阻力,进而影响其超弹性能。

一种基于流固耦合并考虑主动脉残余应力与超弹性的血压估算方法

目的考虑主动脉壁超弹性和残余应力,提出一种基于血管顺应性准确估算主动脉血压的定量预测数值方法。方法基于闭合张开角的三维残余应力求解方法和超弹性本构理论,实现理想化双层厚壁主动脉模型压力-半径关系的解析求解。计算血管壁顺应性,并将压力-半径关系施加于流体域的移动壁面边界,捕捉流固耦合作用引起的血流动力学改变,获得血管顺应性与脉压的关系。对比有无残余应力、超弹性与线弹性本构关系,以及不同年龄对血管顺应性和主动脉血压的影响。考虑覆膜支架的作用:将支架区域视为刚性壁,模拟不同支架个数对主动脉血压的影响。结果与线弹性模型相比,超弹性模型的主动脉脉压预测值较小。考虑残余应力的血管顺应性高于无残余应力,相应的,考虑残余应力时主动脉脉压略低于无残余应力的情况。血管顺应性40~49岁人群>60~69岁>70岁以上人群,相应的,主动脉脉压40~49岁人群<60~69岁<70岁以上人群。当植入一个长度为60 mm的覆膜支架时,由于顺应性的下降,其脉压高于无支架情况。而且,随着植入覆膜支架数量的增加,主动脉脉压持续增高,即支架植入范围越广,脉压越高。结论本文提出的数值方法可正确预测主动脉血压,将为主动脉支架设计和手术方案优化提供理论和技术支撑。

冷轧Ti-50.8Ni-0.4V形状记忆合金相变和超弹性研究

利用金相显微镜、示差量热分析法和拉伸试验对比研究了冷轧和退火态Ti-50.8Ni-0.4V合金的相变及超弹性。结果表明:退火处理对冷轧合金的相变和超弹性(SE)特性具有显著的影响。具有大量位错塞积的冷轧态合金表现为线性SE,而退火态合金呈非线性SE,350~550℃退火态合金表现为两步相变(A→R→M/M→R→A),形状回复率Rr达到96%,具有优异SE特性。600℃和650℃退火态合金发生完全再结晶,随温度的升高R相逐渐消失,其相变分别为(A→R→M)/(M→A)和(A→M)/(M→A),形状回复率Rr值<29%,其SE特性明显变差。

固体发动机绝热层横观各向同性超弹性本构模型

固体火箭发动机绝热层因内部存在短纤维,其力学行为难以准确表征,为了建立考虑短纤维影响的本构模型,针对芳纶短纤维增强三元乙丙橡胶材料开展了平行于压延方向(0°)与垂直于压延方向(90°)的拉伸试验,验证了绝热层材料内部短纤维近似定向分布的假设;同时基于断面SEM图像分析了绝热层材料的纤维抽离、纤维断裂、基体损伤等失效行为。基于试验观测,在应变能密度函数中引入纤维项,建立了适用于绝热层材料的横观各向同性超弹性本构模型,并通过0°、45°和90°单轴拉伸试验验证了该模型的准确性,不同角度预测误差均在10%以内。最后,利用该模型给出了在不同方向上绝热层简单变形的应力响应表达式。

一类可压缩超弹性材料的圆柱空穴现象的定性分析

本文主要研究了一类可压缩超弹性材料的实心圆柱体的径向有限变形问题,通过理论解和数值模拟,我们得到了一些有趣的结论。存在一个临界拉伸值,当径向拉伸小于临界值时,圆柱体保持为实心圆柱体,当径向拉伸大于临界值时,圆柱体轴线上会形成圆柱空穴。应力集中和突变现象进一步表明,可压缩超弹性圆柱体中的空穴现象符合实际的物理背景。

基于新型虚单元法的超弹性材料变形研究

虚单元法是一种先进的求解固体力学问题的数值方法,在过去10年间,该算法在线弹性问题中得到了较为广泛地开发和应用.文章尝试给出一种通用的高阶虚单元法格式,可用于计算超弹性问题以及更普遍的非线性问题.与传统求解力学问题的虚单元法的思想不同,其主要思想是对泊松方程求解映射算子,并将该映射算子直接用于位移场的近似,从而可求解众多非线性力学问题.由于采用了标量场的映射算子来近似矢量场,因此该算法格式简单,并且可以轻易扩展到高阶格式或者三维问题求解.将从泊松方程出发,介绍虚单元法中椭圆映射算子的计算方法,在此基础上,详细推导虚单元法在求解超弹性问题时的具体格式,并给出切线刚度矩阵的计算方法.最后,给出了几个典型的超弹性数值算例,从而证明该虚单元法格式的有效性.

基于超弹性本构模型的橡胶减振垫仿真分析

橡胶减振垫作为一种重要的减振元件,广泛应用于轨道交通领域。橡胶材料具有优异的弹性、阻尼性能和耐久性,能够有效地吸收和隔离振动,保护轨道结构和周围环境。通过单轴拉伸实验研究橡胶减振垫的力学性能,实验数据与超弹性模型的拟合结果证明三阶Ogden模型可以准确描述橡胶减振垫的力学行为。该文建立橡胶减振垫与浮置板的有限元模型,模拟分析橡胶减振垫在列车载荷作用下的受力与变形特性,结果表明动载对减振垫的力学性能影响更显著,降低减振垫柱高能减少应力集中现象。该研究的实验和仿真结果为橡胶减振垫的优化设计提供科学支撑,并为增强其稳定性和耐久性提供新的思路。