基于形状记忆合金的复合材料车身板件的耐冲击性研究

发布时间：2020-08-07 12:30

【摘要】：复合材料车身板件对冲击较为敏感,容易发生分层、基体开裂、纤维断裂等损伤,导致强度降低。超弹性镍钛形状记忆合金(Ni-Ti Shape Memory Alloy,简称Ni-Ti SMA)具有迟滞阻尼、抗冲击、超弹性等特性。在加载过程中,当应变达到一定程度会发生相变、晶格切变等现象,从而吸收冲击能量;在卸载过程中发生逆相变,将部分内能转化为热量散失,从而耗散部分冲击能量,而且无残余应变。Ni-Ti SMA的上述特性为提升复合材料的耐冲击性能提供了新的思路。本文将超弹性Ni-Ti SMA丝作为附加的增强纤维铺设在玻璃纤维复合材料板中,通过仿真和实验相结合的方式对复合材料板的冲击响应进行研究,主要内容如下:(1)对超弹性Ni-Ti SMA丝进行准静态拉伸实验,获得Ni-Ti SMA丝的基本力学参数,为Ni-Ti SMA丝的有限元模型提供材料属性。根据Ni-Ti SMA丝的应力-应变曲线构建分段线性化模型,进行耗能密度、吸能密度公式的推导,为Ni-Ti SMA能量密度的计算提供理论依据。分析应变幅值、应变速率、循环加-卸载对Ni-Ti SMA丝能量密度的影响。对Ni-Ti SMA丝进行准静态拉伸的有限元仿真,将吸能密度、耗能密度与实验结果进行对比,误差小于10%,验证仿真结果的有效性。(2)采用接触成型方法,对玻璃纤维复合材料板进行制备,通过拉伸实验、切变实验、电测实验分别测得复合材料板的弹性模量、切变模量、泊松比等各项材料参数,为在ANSYS/LS-DYNA中建立复合材料板的有限模型提供材料属性。(3)制备含Ni-Ti SMA丝与不含Ni-Ti SMA丝的玻璃纤维复合材料板,对两种复合材料板进行冲击仿真,分析Ni-Ti SMA丝对复合材料板的冲击响应(板中心挠度及其峰值、冲击力及其峰值、吸能量等)的影响。结果表明,嵌入Ni-Ti SMA丝后,Ni-Ti SMA丝的迟滞环效应使部分冲击能量耗散,从而复合材料板的剩余吸能量提升,验证了 Ni-Ti SMA丝参与冲击能量的吸收和耗散,复合材料板的挠度峰值、冲击时间降低,冲击响应改善。(4)仿真研究Ni-Ti SMA丝的铺设密度、铺设位置对复合材料板冲击响应的影响,结果表明,随着铺设密度增加、铺层位置降低,复合材料板的刚度提升,Ni-Ti SMA丝吸收的冲击能量增加,复合材料板所承担的冲击能量、挠度峰值和冲击时间降低。(5)基于Vic-3D-v7非接触全场应变测量系统和DH5922N动态信号测试分析系统,设计和搭建复合材料板的冲击实验台,对含超弹性Ni-Ti SMA丝的复合材料板进行冲击实验,对比相同冲击工况下的实验与仿真结果,结果表明仿真与实验吻合度较高,验证有限元仿真结论的有效性。(6)对含不同材质金属丝的复合材料板进行冲击实验。研究表明,与普通金属丝相比,Ni-Ti SMA丝能更有效的提高复合材料板承受冲击载荷的能力,挠度峰值、冲击时间、剩余挠度降低,抑制了材料损伤的扩展。(7)对含Ni-Ti SMA丝与不含Ni-Ti SMA丝的复合材料板进行冲击响应的对比分析,实验结果表明,Ni-Ti SMA丝使复合材料板的挠度峰值降低了 37%,冲击时间减少2.92ms,剩余挠度降低为Omm,复合材料返还给冲头的能量增加3.18J,使得用于损伤的能量减少,有效地降低复合材料的冲击损伤。(8)分别对含Ni-Ti SMA丝与不含Ni-Ti SMA丝的复合材料板进行两次冲击,对比两次冲击响应,含Ni-Ti SMA丝的复合材料板的各响应曲线无明显变化,背面无明显损伤,而不含Ni-Ti SMA丝的复合材料板冲击力曲线震荡剧烈,挠度峰值进一步增加,出现严重损伤,验证了 Ni-Ti SMA丝对复合材料板的耐冲击性的提升。(9)对含不同直径的Ni-Ti SMA丝的复合材料板进行冲击响应分析,结果表明,随Ni-Ti SMA丝直径的增加,可承受的冲击力峰值增大,挠度峰值、冲击时间降低,当直径超过0.4mm后,损伤的抑制效果稳定。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

超弹性,实验设备,常温,成分

图２．１实验设备及所用材料逡逑下为奥氏体的超弹性Ｎｉ－ＴｉＳＭＡ，生的实验误差，选取合金丝的直。截取试件长度２００ｍｍ，通过上、00ｍｍ。实验机配置力传感器，可器可以获取合金丝有效长度的变公式（２．１）和（２．２）换算可以４Ｅ邋＝邋—Ｉ逡逑ＳＭＡ的应力、应变，Ｆ为ＳＭＡ

超弹性,奥氏体,应力,马氏体相变

QR变逡逑图２．２超弹性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝的应力－应变曲线逡逑如图２．２所示，为常温下为奥氏体相的超弹性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝在拉伸－卸载过程中的逡逑应力－应变曲线。根据应力－应变曲线，可以获取Ｎｉ－ＴｉＳＭＡ丝的基本力学性能，比如各逡逑相变起始应力、结束应力、奥氏体弹性模量、马氏体弹性模量等参数。从图中可以看逡逑出，Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ为超弹性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝的相变临界点，其应力－应变曲线分为五个阶逡逑段：（ａ）邋ＡＢ段为加载过程中的弹性变形阶段，Ｎｉ－ＴｉＳＭＡ丝处于奥氏体相，与普通金逡逑属的弹性变形阶段相同，加载与卸载的应力－应变曲线重合，未发生相变；（ｂ）邋ＢＣ段逡逑为Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝的马氏体相变阶段，当合金丝所受应力达到Ｂ点处的马氏体相变起始逡逑应力时发生屈服，^u始由奥氏体相向马氏体相转变，产生应力平台，即随应变逡逑的增加应力基本不变，当应力达到Ｃ点处的马氏体相变结束应力（ａ＾），Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ逡逑丝完全相变为马氏体相

预应变,幅值,长度,超弹性

Ａ邋变逡逑图２．３不同预应变幅值下Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝卸载后的长度逡逑由图２．３可以看出，超弹性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝在３°／。－８％的预应变幅值下，卸载后完全逡逑Ｎ复到初始长度。预应变幅值达到９％时，合金丝在卸载后无法回复至初始长度，存在逡逑３％的不可回复应变。所以超弹性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝的最大可回复预应变幅值为８°／。。Ｎｉ－Ｔｉ逡逑ＳＭＡ丝所具有的超弹性，即使产生高达８％的应变，也能在卸载后恢复原始长度，几逡逑乎没有残余应变，因此可以重复使用。逡逑２．３超弹性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝的耗能原理逡逑超弹性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ丝的高阻尼能力取决于应力诱发马氏体相变＿，应力诱发马氏逡逑体相变有两个特点：Ｉ．奥氏体的弹性模量大于马氏体的弹性模量；２．拉伸变形后可以逆逡逑相变Ｎ复到应变为0。马氏体的介质损耗因子为０．０６－０．１，远远优于传统金属随外逡逑载荷的增加，应力诱发马氏体数量增加，马氏体界面以及马氏体变体界面上晶格切变逡逑运动耗散部分能量。当应力较高时，有利取向的马氏体变体吞噬不利取向的变体而长逡逑大

【参考文献】