TiNi相變柱殼的軸向靜動態(tài)屈曲特性研究.pdf

1、相變對材料和結構的力學響應可造成重大影響，是固體力學和材料科學的基本問題和重點研究領域之一。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件-圓柱薄殼結構作為研究對象，從實驗和數值模擬兩個方面，對處于偽彈性狀態(tài)(PE)的具有相變特性的TiNi合金柱殼的準靜態(tài)及軸向沖擊響應進行了較為系統(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響應和吸能特性獲得了較深入的認識，得到一些有意義的結果，可為其工程應用提供依據。 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，卸載后可恢復原狀。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增多，即周向折屈瓣數增加。

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可回復性；②出現(xiàn)相變鉸的時間尺度為微秒量級，與波動效應耦合在一起，

5、變形呈現(xiàn)波動性：③多相變鉸形成。動態(tài)載荷下名義應力應變曲線滯回面積遠大于準靜態(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值模擬表明，當載荷幅值低于相變起始應力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。當載荷幅值高于σMS時，理論上應出現(xiàn)彈性波和相變沖擊波的雙波結構，計算表明在彈性波后方對應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產生的彎曲擾動，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值模擬結果表明：相變柱殼的卸載恢復過程在柱殼結構中是不均勻的，伴隨著殼體局部應力釋放和局部應力集中，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力首先釋放，2、靠近入射桿端的殼體應力繼續(xù)釋放，3、靠近透射桿端的殼體應力釋放，第一層與第二層相變屈曲皺褶消失，4、柱殼整體彈性振