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形状记忆合金的本构模型及试验研究

王伟  
【摘要】:由于地震、台风等自然灾害或其它因素的影响,混凝土结构在长期的使用过程中,经常会出现裂缝等破坏现象,如何提高混凝土结构的抗震能力以及如何进行结构的修复和加固工作,都成为工程领域亟需解决的问题。因为形状记忆合金(Shape Memory Alloys,简称SMA)材料具有形状记忆效应、超弹性、高阻尼、电阻特性等特性而体现出自感知、自诊断和自适应能力,必将在结构振动控制和结构健康监测等领域,发挥不可忽视的作用。然而,SMA在本构模型特别是多维的本构模型方面,以及在振动控制及混凝土结构修复等方面还存在很多问题有待进一步研究。本文主要针对SMA的本构模型以及在土木工程中的应用,做了基础性的研究,具体内容如下: (1)对不同直径的奥氏体相SMA丝进行加载和卸载试验,研究不同的循环次数、应变幅值、加载速率、温度等因素对SMA丝力学性能的影响;并且研究了SMA丝在不同加载条件下的电阻特性。试验结果显示,加载幅值、加载速率和环境温度均是影响SMA丝力学性能的重要参数。 (2)基于Kazuhiko Arai的理论,利用能量分析的方法,并考虑了SMA相变和应变率变量的影响建立了SMA的一维连续动力学模型。近几十年来,国内外的学者对SMA材料的本构模型做了大量的研究分析,并相继提出了多种模型,但传统的SMA一维模型,多数不考虑应变率的影响,而且加载和卸载阶段要分别用不同的关系式表达。为了证明所提出模型的实用性,利用该模型计算的结果与试验结果进行对比,结果吻合良好。 (3)利用了塑性力学中的屈服面方程,并结合了Brinsion的一维本构模型的思想和Boyd和Lagoudas模型的概念,提出了一种改进的SMA多维本构模型。该本构模型可以用来计算不同的应力和温度以及不同的加载过程下材料的变形。为了验证该多维模型的有效性,利用MATLAB软件编写程序,对三个不同的算例进行模拟计算,结果表明所提出的改进模型不仅可以很好的描述SMA一维情况的力学行为,也可以很好地定性描述SMA二维薄板的形状记忆效应和超弹性。 (4)完成了利用SMA形状记忆效应对混凝土梁进行修复的试验。将常温下为马氏体相的SMA丝和SMA绞线埋入混凝土梁中,制成SMA智能混凝土梁,并对试件进行四点弯曲试验,卸载后对SMA丝进行通电激励,利用SMA的形状记忆效应在相变过程中产生的恢复力来修复混凝土梁的裂缝宽度和挠度。观察实验结果可知,由于SMA丝会向周围混凝土散热的原因,使无粘结力SMA混凝土梁比有粘结力SMA混凝土梁修复效果要好;由于接触面积的问题,使配有SMA绞线的混凝土梁比配有单根SMA丝的混凝土梁的修复效果要好;由于配置在受拉区的钢筋阻碍了SMA的恢复,所以没有配置受拉区钢筋的混凝土梁比配置受拉区钢筋的混凝土梁的修复效果要明显。 (5)设计并制作出了一种新型的SMA-粘滞阻尼器,并完成相关力学性能试验。针对目前阻尼器耗能形式单一、无复位功能的问题,新研制的利用奥氏体状态SMA超弹性阻尼器不但具有高耗能,而且还具有自复位的性能。对该阻尼器进行了加载卸载试验,实验表明,随着加载频率和加载位移幅值的增大,阻尼器的耗能量显著增大;对一个八层简单钢框架结构模型应用复合阻尼器进行动力时程分析,模拟结果显示,复合阻尼器模型对结构的抗震作用明显,可以很好地降低结构的顶层位移和最大加速度。


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