一种考虑应变幅值和应变速率影响的超弹性SMA宏观唯象本构模型
发布时间：2021-10-11 19:07
为充分发挥超弹性SMA的减振特性,奠定应用理论基础,对SMA丝进行了力学性能试验研究,探讨了循环训练次数、应变幅值和应变速率对SMA滞回性能的影响。基于SMA丝力学性能测试结果,在广义粘塑性框架下,对Graesser宏观唯象本构模型进行了拓展。新模型考虑了马氏体正/逆相变过程中特征参量的差异以及大应变幅值下的马氏体硬化特性,并通过引入的内变量演化方程,描述了应变幅值和应变速率对超弹性SMA滞回性能的影响;通过Matlab/Simulink模块对超弹性SMA滞回曲线进行了模拟,并将预测结果和试验结果进行了对比。结果表明:所建立的应变幅值-应变速率相关型SMA宏观唯象本构模型可较为精确地描述SMA在应力诱发相变过程中的超弹性力学行为,同时可反映应变速率和应变幅值对SMA滞回性能的影响。
【文章来源】：材料导报. 2020,34(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
试验装置
超弹性SMA典型的应力-应变关系如图2所示。其中, σMs和σMf分别为应力诱发马氏体相变的开始应力和结束应力, σAs和σAf分别为应力诱发马氏体逆相变的开始应力和结束应力。加载初期,SMA变形为完全奥氏体相的弹性变形,将该段(oa段)变形模量定义为Ea。当应力值达到σMs时,记忆合金内稳定的奥氏体在应力的作用下开始向马氏体转变,即试样中开始出现应力诱发的马氏体。在整个相变过程(ab段)中,记忆合金的变形模量大幅降低。随着奥氏体不断向马氏体转变,应力-应变曲线出现了“屈服平台”,其中εtrs为“屈服平台”的长度,Eam为“屈服平台”的变形模量。当应变达到εMf时,试样中绝大部分的奥氏体转变为马氏体单晶。当继续加载时,SMA变形原则上是由马氏体单晶的弹性变形引起,但马氏体相SMA加载段(bc段)变形模量明显低于卸载段(cd段)。考虑SMA滞回曲线在这两阶段力学性能的差异,将bc段和cd段变形模量分别定义为Es和Em。卸载初期,SMA变形为完全马氏体相的弹性变形。当应力值降低至σAs时,SMA发生马氏体逆相变,即记忆合金内马氏体开始向奥氏体转变。将整个马氏体逆向变“屈服平台”的变形模量定义为Ema(de段)。ef段为SMA的弹性卸载阶段,由于晶粒界面和微观缺陷处存在位错滑移,完全卸载后会产生残余应变εres。在一次加/卸载的循环中,应力-应变曲线将形成一个完整的迟滞环。WE和WD分别为一次加/卸载过程中总的应变能和消耗的能量。定义等效阻尼比为:ξeq=WD/(4πWE)。2.2 循环训练次数对SMA超弹性的影响
图3a—d为SMA丝在相同应变幅值下的循环加载试验曲线及相关力学参数分析图。由图3a可知:随着循环训练次数的增加,滞回曲线逐渐下移,即四个相变特征应力值均在减小。不同循环训练次数滞回曲线基本上能保持平行,因此循环训练次数对滞回曲线各阶段变形模量影响不大。经过4次循环训练后,滞回曲线出现了明显的马氏体硬化现象。经过20次循环训练后,滞回曲线基本可保持稳定。由图3b可知:加载时的马氏体相变特征应力值降幅明显大于卸载时的马氏体逆相变特征应力值降幅,其中σMs和σMf分别降低了134.3 MPa和103.1 MPa,而σAs和σAf仅分别降低了32.1 MPa和15.1 MPa。马氏体相变和马氏体逆相变特征应力值分别在第20次和第5次循环训练后趋于稳定。由图3c可知:随着循环训练次数的增加,SMA的累计残余应变逐渐增大,但单次循环的残余变形不断减小。当经过18次循环训练后,单次循环的残余变形仅为0.001 2%,而累计残余应变基本达到饱和值0.4%。由图3d可知:SMA单圈循环耗能和等效阻尼比随循环训练次数的增加而逐渐减小。经过50次循环训练后,单圈循环耗能降低了7.6 MJ·m-3,降幅达27.8%,等效阻尼比降低了0.35%,降幅达7.11%。在前几次加/卸载循环训练过程中,SMA单圈循环耗能和等效阻尼比下降较快,但20次循环后单圈循环耗能和等效阻尼比基本趋于稳定。综上可知,在变应变幅值和变应变速率循环加载试验中,所使用的SMA丝(经过50次循环训练)具有稳定的完全超弹性。2.3 应变幅值对SMA超弹性的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]自复位放大位移型SMA阻尼器优化设计方法研究[J]. 黄宙,李宏男,付兴. 工程力学. 2019(06)
[2]超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型[J]. 周廷,阚前华,康国政,邱博. 力学学报. 2017(03)
[3]基于遗传算法优化的SMABP神经网络本构模型[J]. 余滨杉,王社良,杨涛,樊禹江. 金属学报. 2017(02)
[4]超弹性NiTi合金循环相变诱发塑性本构模型[J]. 杨强军,阚前华,康国政,于超,董诗玉. 功能材料. 2015(10)
[5]超弹性形状记忆合金丝力学性能试验[J]. 阎石,王琦,王伟. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2010(03)
[6]基于塑性理论的形状记忆合金本构模型、试验和数值模拟[J]. 钱辉,李宏男,宋钢兵,赵大海. 功能材料. 2007(07)
[7]超弹性形状记忆合金丝（NiTi）力学性能的试验研究[J]. 左晓宝,李爱群,倪立峰,陈庆福. 土木工程学报. 2004(12)
博士论文
[1]基于SMA-SPDS的小雁塔结构减震控制研究[D]. 杨涛.西安建筑科技大学 2016
本文编号：3431084
【文章来源】：材料导报. 2020,34(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
试验装置
超弹性SMA典型的应力-应变关系如图2所示。其中, σMs和σMf分别为应力诱发马氏体相变的开始应力和结束应力, σAs和σAf分别为应力诱发马氏体逆相变的开始应力和结束应力。加载初期,SMA变形为完全奥氏体相的弹性变形,将该段(oa段)变形模量定义为Ea。当应力值达到σMs时,记忆合金内稳定的奥氏体在应力的作用下开始向马氏体转变,即试样中开始出现应力诱发的马氏体。在整个相变过程(ab段)中,记忆合金的变形模量大幅降低。随着奥氏体不断向马氏体转变,应力-应变曲线出现了“屈服平台”,其中εtrs为“屈服平台”的长度,Eam为“屈服平台”的变形模量。当应变达到εMf时,试样中绝大部分的奥氏体转变为马氏体单晶。当继续加载时,SMA变形原则上是由马氏体单晶的弹性变形引起,但马氏体相SMA加载段(bc段)变形模量明显低于卸载段(cd段)。考虑SMA滞回曲线在这两阶段力学性能的差异,将bc段和cd段变形模量分别定义为Es和Em。卸载初期,SMA变形为完全马氏体相的弹性变形。当应力值降低至σAs时,SMA发生马氏体逆相变,即记忆合金内马氏体开始向奥氏体转变。将整个马氏体逆向变“屈服平台”的变形模量定义为Ema(de段)。ef段为SMA的弹性卸载阶段,由于晶粒界面和微观缺陷处存在位错滑移,完全卸载后会产生残余应变εres。在一次加/卸载的循环中,应力-应变曲线将形成一个完整的迟滞环。WE和WD分别为一次加/卸载过程中总的应变能和消耗的能量。定义等效阻尼比为:ξeq=WD/(4πWE)。2.2 循环训练次数对SMA超弹性的影响
图3a—d为SMA丝在相同应变幅值下的循环加载试验曲线及相关力学参数分析图。由图3a可知:随着循环训练次数的增加,滞回曲线逐渐下移,即四个相变特征应力值均在减小。不同循环训练次数滞回曲线基本上能保持平行,因此循环训练次数对滞回曲线各阶段变形模量影响不大。经过4次循环训练后,滞回曲线出现了明显的马氏体硬化现象。经过20次循环训练后,滞回曲线基本可保持稳定。由图3b可知:加载时的马氏体相变特征应力值降幅明显大于卸载时的马氏体逆相变特征应力值降幅,其中σMs和σMf分别降低了134.3 MPa和103.1 MPa,而σAs和σAf仅分别降低了32.1 MPa和15.1 MPa。马氏体相变和马氏体逆相变特征应力值分别在第20次和第5次循环训练后趋于稳定。由图3c可知:随着循环训练次数的增加,SMA的累计残余应变逐渐增大,但单次循环的残余变形不断减小。当经过18次循环训练后,单次循环的残余变形仅为0.001 2%,而累计残余应变基本达到饱和值0.4%。由图3d可知:SMA单圈循环耗能和等效阻尼比随循环训练次数的增加而逐渐减小。经过50次循环训练后,单圈循环耗能降低了7.6 MJ·m-3,降幅达27.8%,等效阻尼比降低了0.35%,降幅达7.11%。在前几次加/卸载循环训练过程中,SMA单圈循环耗能和等效阻尼比下降较快,但20次循环后单圈循环耗能和等效阻尼比基本趋于稳定。综上可知,在变应变幅值和变应变速率循环加载试验中,所使用的SMA丝(经过50次循环训练)具有稳定的完全超弹性。2.3 应变幅值对SMA超弹性的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]自复位放大位移型SMA阻尼器优化设计方法研究[J]. 黄宙,李宏男,付兴. 工程力学. 2019(06)
[2]超弹性镍钛形状记忆合金单轴相变棘轮行为的宏观唯象本构模型[J]. 周廷,阚前华,康国政,邱博. 力学学报. 2017(03)
[3]基于遗传算法优化的SMABP神经网络本构模型[J]. 余滨杉,王社良,杨涛,樊禹江. 金属学报. 2017(02)
[4]超弹性NiTi合金循环相变诱发塑性本构模型[J]. 杨强军,阚前华,康国政,于超,董诗玉. 功能材料. 2015(10)
[5]超弹性形状记忆合金丝力学性能试验[J]. 阎石,王琦,王伟. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2010(03)
[6]基于塑性理论的形状记忆合金本构模型、试验和数值模拟[J]. 钱辉,李宏男,宋钢兵,赵大海. 功能材料. 2007(07)
[7]超弹性形状记忆合金丝（NiTi）力学性能的试验研究[J]. 左晓宝,李爱群,倪立峰,陈庆福. 土木工程学报. 2004(12)
博士论文
[1]基于SMA-SPDS的小雁塔结构减震控制研究[D]. 杨涛.西安建筑科技大学 2016
本文编号：3431084
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