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含损伤智能结构的性能表征与细观分析

作　者: 胡自力
导　师: 陶宝祺；王鑫伟
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 智能结构损伤 SMA 性能表征细观力学分析损伤检测
分类号: TB302
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 270次
引　用: 2次
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内容摘要

智能结构由于其兼具传统复合材料结构和功能复合材料结构的双重特性，已越来越受到人们的关注，并开始在航空航天、国防、建筑、医学等领域获得初步应用。尤其是SMA增强智能结构可用于结构的强度和形状自适应以及失效防范。围绕SMA智能结构，国内外学者做了许多研究工作，但基本上都是针对无损伤情况下的，而有关含损伤SMA增强智能结构的研究至今仍不多见。本文从细观角度出发，着重对含损伤智能结构的性能、力学行为表征及损伤检测进行研究，得到了一些有价值的结果，为智能结构的失效防范研究和完整性评估提供了相应的理论基础和实验准备。本文主要创新点： 1)对NiTi合金性能进行了系统的实验研究，得出了一些有价值的结果。 2)基于滞后元方法，对NiTi合金的拉伸σ-ε关系进行表征，建立了物理模型，并将数值模拟结果与实验结果相比较，两者吻合较好。 3)基于对马氏体相变热流-温度实验曲线的唯象模拟，以及马氏体体积分数与热力势对温度偏导数之间的线性关系，建立了一种新的马氏体相变动力学模型，并与其他模型及实验结果进行了比较。比较结果表明，新模型的计算结果与实验结果最为接近。 4)研究了SMA热力学非线性方程的求解方法。由于该方程中变量之间相互嵌套，给方程求解带来许多困难。本文根据SMA热力学非线性方程的特点，提出了一种以马氏体百分数为切入点的求解方法，并进行了实例验算。与实验结果的比较表明，计算结果与实验结果基本吻合，说明了该求解方法的可行性与正确性，可应用于实际问题。 5)引入了纤维断裂损伤度ψ、纤维剥离损伤度η和界面影响系数C等表征损伤程度的物理量，并最终建立了考虑这些损伤影响的SMA增强智能结构的一维增量本构关系。用细观力学方法，研究了含损伤宿主材料的刚度退化和纵向热膨胀系数变化规律，并给出了相应的数学表达式。 6)运用剪滞模型和变分原理，对含损伤SMA增强智能结构的热、力学行为进行了分析，给出了含损伤典型单元体的细观位移场、应力应变场的数学描述，建立了SMA增强智能结构界面的失效判据，并通过算例对失效判据进行了直观的几何描述。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-40
  1.1 智能材料结构的有关概念  11-12
  1.2 智能结构的研究概况  12-14
  1.3 智能结构的关键技术  14-16
    1.3.1 智能传感技术  14
    1.3.2 智能驱动技术  14-15
    1.3.3 智能控制技术  15
    1.3.4 系统集成技术  15-16
  1.4 SMA及其相关领域的一些研究成果及方向  16-22
    1.4.1 基础研究  16-17
    1.4.2 实验研究  17-18
    1.4.3 驱动器设计和性能  18
    1.4.4 SMA复合材料  18-19
    1.4.5 形状记忆合金智能化的应用研究  19-22
  1.5 智能结构中几种损伤检测新技术  22-28
    1.5.1 光纤传感损伤检测原理与方法  22-23
    1.5.2 空心光纤传感技术  23-25
    1.5.3 应力波因子技术  25-26
    1.5.4 高频机械阻抗技术  26-28
  1.6 智能结构的发展方向和应用前景  28-31
  1.7 本文的研究意义和主要研究工作  31-32
  参考文献  32-40
第二章形状记忆合金的性能测试与表征  40-64
  2.1 概述  40
  2.2 形状记忆合金的几个基本概念和重要特性  40-44
  2.3 SMA的性能测试与表征  44-62
    2.3.1 测试分析方法  45-48
    2.3.2 试样与装置  48-49
    2.3.3 实验结果与分析  49-54
    2.3.4 SMA的拉伸性能测试与表征  54-62
  2.4 本章小结  62
  参考文献  62-64
第三章形状记忆合金的热力学行为表征  64-90
  3.1 概述  64
  3.2 形状记忆合金的热力学基础  64-68
  3.3 马氏体相变动力学模型  68-74
    3.3.1 一种新的马氏体相变动力学模型  70-73
    3.3.2 几种模型的计算结果与实验结果比较  73-74
  3.4 SMA本构方程  74-83
    3.4.1 Tanaka本构模型  75-77
    3.4.2 Brinson本构模型  77-83
  3.5 SMA热力学非线性方程的求解区间确定及求解方法  83-85
  3.6 算例分析  85-87
  3.7 本章小结  87-88
  参考文献  88-90
第四章含损伤SMA增强智能结构的细观力学分析  90-120
  4.1 概述  90-91
  4.2 含损伤宿主材料刚度的退化模型  91-95
    4.2.1 假设、模型与方法  91
    4.2.2 刚度退化的细观力学模型  91-95
  4.3 含损伤宿主材料纵向热膨胀系数α_L的变化模型  95-96
  4.4 SMA一维增量本构关系  96
  4.5 含损伤SMA增强智能结构的一维增量本构关系  96-99
  4.6 无损伤SMA增强智能结构的应力场分析  99-105
    4.6.1 SMA一维本构关系  100-101
    4.6.2 界面剪切变形的线弹性假设  101-105
  4.7 含损伤SMA增强智能结构的失效分析  105-117
    4.7.1 分析模型与典型单元体  105-106
    4.7.2 含损伤SMA智能结构失效问题变分原理的提法  106-112
    4.7.3 含损伤典型单元体的界面失效判据  112-113
    4.7.4 算例分析  113-117
  4.8 本章小结  117-118
  参考文献  118-120
第五章含损伤智能结构中的探伤技术研究  120-137
  5.1 概述  120-121
  5.2 高频阻抗技术的实验研究  121-130
    5.2.1 冲击试样的损伤检测试验  122-124
    5.2.2 冲击损伤试件压电阻抗谱分析  124-127
    5.2.3 含裂纹梁试样的损伤检测实验  127
    5.2.4 裂纹尺寸对阻抗的影响  127-130
  5.3 内埋合金丝阵列检测结构表面裂伤实验研究  130-135
    5.3.1 试样制作  130-131
    5.3.2 试验装置及方法  131-132
    5.3.3 试验结果与讨论  132-135
  5.4 本章小结  135-136
  参考文献  136-137
第六章结论、问题与建议  137-141
  6.1 结论  137-138
  6.2 本文主要创新点  138-139
  6.3 问题与建议  139-141
附录1 智能结构中几种常用传感材料和驱动材料比较  141-143
附录2 部分形状记忆合金性能比较  143-144
致谢  144-145
攻读博士学位期间发表的论文  145

含损伤智能结构的性能表征与细观分析

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