相变固支梁的横向冲击响应的实验和数值模拟研究

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TiNi合金是研究最早、应用最广泛的一种形状记忆合金材料,由于良好的形状记忆效应和超弹性,以及优良的抗腐蚀性和生物相容性,使其在航空航天、机械电子、生物医学等领域有着广泛的应用。然而,当前对TiNi 合金材料性能的研究相对成熟,对相变结构件进行的力学响应研究尚处于探索阶段。将TiNi 合金材料的优越性能与结构件的特点相结合,充分发挥两者的优势将是进一步研究的方向。本文选取工程中应用最为广泛的基本结构件----梁,作为研究对象。从实验和数值模拟两方面对横向冲击下,伪弹性TiNi 合金固支梁的动态力学响应特性进行较为系统的研究。揭示相变产生、发展和演化规律,分析了相变梁的耗能机理。这些结论可为TiNi 梁的理论研究和实际应用提供重要的参考依据。在实验方面,本文对固支梁的实验夹具装置进行了多次改进,以保证固支条件的充分实现,并专门对固支边界条件的实现及其对实验结果的影响进行了深入探讨。在此基础上,利用SHPB 装置对矩形截面TiNi 固支梁进行不同子弹长度和弹速的冲击实验,并与弹塑性梁进行了对比研究。结果表明:   ⑴整个TiNi固支梁响应过程可以分为早期波动响应、整体结构响应、和后期自由振动三个阶段,早期波动响应的特征以弹性弯曲波的传播为主,波动响应与结构响应的时间分界点约为0.5ms 左右。   ⑵相变首先发生在撞击点和固定端附近。随着载荷增加,局部应变集中形成相变铰,梁转变为铰接机构。与传统塑性铰相比,相变铰可恢复,卸载后没有残余变形。   ⑶固支梁在子弹冲击下的轴力效应十分显著,造成拉伸侧与压缩侧应变幅值呈现出不对称性。由于轴向拉应力的叠加,将首先在拉伸侧形成“单边相变铰”。   ⑷随着子弹输入能量的增加,TiNi固支梁耗能率显著提高。在相同子弹初始动能下,短子弹比长子弹吸能效率更高。   ⑸与悬臂梁冲击实验结果相比,TiNi固支梁挠度更小、轴力更大。在数值模拟方面,本文利用有限元软件LS-DYNA 对TiNi 固支梁的子弹冲击实验进行数值模拟研究。结果表明:①数值计算结果证实子弹冲击下在TiNi 固支梁的撞击点和固定端附近形成的相变铰为单边铰。②子弹冲击下,TiNi 固支梁的动态冲击载荷位移曲线可以分为:冲击震荡段、加载硬化段、二相弹性段、卸载线性段、卸载平台段和卸载完成段六个阶段。③相变梁在子弹冲击下的动态响应行为与其材料所处的马氏体相变状态有着密切的关系,二者相互影响、相互作用。④TiNi固支梁在横向冲击下的动态响应特征由冲击加载方式,以及梁的几何尺寸等自身性质共同决定。⑤子弹冲击下,TiNi固支梁主要通过局部材料发生相变来耗散能量,当输入能量增大到一定值时材料进入二相弹性段,耗能率达到饱和不再增加。
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