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《中国科学技术大学》 2009年
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TiNi相变柱壳的轴向静动态屈曲特性研究

李丹  
【摘要】: 相变对材料和结构的力学响应可造成重大影响,是固体力学和材料科学的基本问题和重点研究领域之一。形状记忆合金(SMA)是典型的相变材料,因此,SMA柱壳的冲击力学行为的研究必须涉及相变对其影响的研究。 本文针对工程中广泛使用的基本构件一圆柱薄壳结构作为研究对象,从实验和数值模拟两个方面,对处于伪弹性状态(PE)的具有相变特性的TiNi合金柱壳的准静态及轴向冲击响应进行了较为系统的研究,发现了一些新现象和新规律,对不同尺寸,不同边界条件下相变柱壳静压屈曲特性以及相变铰的形成与发展规律、以及单脉冲加载下相变柱壳的动屈曲响应响应和吸能特性获得了较深入的认识,得到一些有意义的结果,可为其工程应用提供依据。 PE态相变柱壳的静压屈曲特性明显不同于弹塑性柱壳,与马氏体相变和相变铰的行为相关,卸载后可恢复原状。相变柱壳的径厚比D/t和长径比L/D两大尺寸要素与相变屈曲模式之间关系密切。在相同的长径比下,随着径厚比增大,相变柱壳的周向折屈边数增多,即周向折屈辦数增加。 相变柱壳的静压比能S_e与相变柱壳的几何尺寸,屈曲模态关系密切,长径比较小时相变柱壳的比能随着径厚比增大而减小。三辦的相变屈曲模式静压比能S_e最大,二辦与混合模式次之,四辦屈曲模式最小。其中长径比为2.5,径厚比为30时的三辦屈曲模式,其静压比能S_e最大,达到2257.62J·Kg~(-1)。 采用简化的理想伪弹性本构模型,从理论上分析了TiNi相变柱壳周向相变铰处微元段在轴压失稳条件下截面变形行为,揭示了壳体截面上相变区的发展演化以及相边界的运动规律,给出相应的解析表达式,并给出轴压失稳下整个壳截面在完整的加载卸载循环下由于相变滞回所耗散的能量。 我们改进了原有的分离式Hopkinson压杆装置,使得只产生单脉冲加载,对不同长径比和边界条件下的PE相变柱壳进行了较为系统的单脉冲轴向加载冲击实验。实验中发现:不同边界条件和不同长径比呈现出不同的屈曲模态。相变柱壳中的相变铰具有以下特点:①可回复性;②出现相变铰的时间尺度为微秒量级,与波动效应耦合在一起,变形呈现波动性:③多相变铰形成。动态载荷下名义应力应变曲线滞回面积远大于准静态压缩下的滞回面积,吸能效率更高。 对半无限长相变柱壳受阶跃载荷冲击的数值模拟表明,当载荷幅值低于相变起始应力σ_(MS)时,壳体中末发生相变,仅有弹性纵波传播,未出现屈曲。当载荷幅值高于σ_(MS)时,理论上应出现弹性波和相变沖击波的双波结构,计算表明在弹性波后方对应于相变冲击波的范围出现了轴对称的屈曲波纹,屈曲边界的传播速度在460-500m/s之间.计算分析还表明,由于突加冲击下横向惯性效应产生的弯曲扰动,相变区材料模量的突然软化以及较高的轴向应力载荷是引起相变柱壳冲击屈曲的物理机制。 对具体冲击实验的数值模拟结果表明:相变柱壳的卸载恢复过程在柱壳结构中是不均匀的,伴随着壳体局部应力释放和局部应力集中,可以分为以下四个阶段:1、柱壳中部发生弯曲变形的壳体应力首先释放,2、靠近入射杆端的壳体应力继续释放,3、靠近透射杆端的壳体应力释放,第一层与第二层相变屈曲皱褶消失,4、柱壳整体弹性振动。计算表明,铰点处相变含量沿壁厚方向的分布以周向相变铰分布最不均匀,轴向相变铰次之,斜向相变铰较为均匀。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O347.3

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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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