NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法

为了准确描述NiTi形状记忆合金的相变与塑性力学行为,基于不可逆热力学理论框架并假定两个内变量分别表征合金变形过程中的相变与塑性行为,推导出其相变、塑性的主控方程,总结两阶段的主控方程,构建出NiTi合金动态加载过程中的相变-塑性统一本构模型。采用半隐式应力积分算法对非弹性应变增量进行更新,通过FORTRAN语言将所提出的宏观唯象本构模型进行了数值程序实现。对比模拟与实验结果验证了该本构模型的合理性,发现该模型能够准确描述NiTi合金随着载荷增加而出现的母相弹性、马氏体相变、马氏体弹性与马氏体塑性流动等不同变形阶段,对于不同应变率动态加载下的应力-应变行为该模型也可较理想地描述。     

短纤维增强复合材料纤维和界面层残余热应力分析

基于应力传递的剪滞理论，详细分析推导了纤维中的残余热正应力和界面层中的剪应力解析公式，并与已有的理论公式进行了比较。同时分析了纤维与基体脱粘的原因及热残余应力主要影响因素，主要包括：纤维和界面层材料的弹性模量，界面层的厚度以及纤维的长径比等。通过分析得出：纤维中的压应力和界面层中的剪应力都随着界面层的厚度及其弹性模量的增大而增大；纤维长径比的大小对纤维中的压应力和界面层中的剪应力大小及分布的影响很小。     

不同温度和应力状态下Ni-Ti形状记忆合金力学行为分析

为了研究Ni-Ti形状记忆合金在不同应力状态下的力学行为,文中通过分离式Hopkinson杆实验装置分别对不同Ni-Ti形状记忆合金试样进行了动态拉伸和压缩试验。实验温度从291~573 K。从不同应力状态和试验温度的试验结果分析中发现:Ni-Ti形状记忆合金的相变屈服应力和位错屈服应力均随着试验温度的增加而增加;此外,同一Ni-Ti形状记忆合金压缩状态下的相变屈服应力和位错屈服应力均明显高于其拉伸状态下的相变屈服极限和位错屈服极限;而且对于同一Ni-Ti形状记忆合金,变形后材料的逆相变起始温度比变形前材料逆相变的起始温度高,且应变率越高,逆相变起始温度增加的越快。     

塑性变形提高形状记忆合金相变滞后机制的探讨

形状记忆合金经适当温度下的塑性变形可以有效地提高马氏体的稳定性,从而使相变滞后得以大幅度提高.本文根据马氏体相变热力学和动力学,并结合相关的实验结果,研究了弹性应变能弛豫和相变滞后的关系.结果表明,塑性变形产生的位错以及变形的第二相颗粒对逆马氏体相变温度的提高具有一定作用,但塑性变形导致应变能释放才是形变提高形状记忆合金相变滞后的主导因素.     

陶瓷基复合材料单纤维拔出力学分析

建立了考虑界面滑动摩擦的复合材料单纤维拔出力学模型,得到了包含泊松效应影响的基体轴向应力、纤维轴向应力和界面剪切应力的表达式.针对SiC/RBSN陶瓷基复合材料,在部分脱粘/滑移和完全粘结情况下,对纤维、基体、界面的应力分布进行了分析.计算结果与有限元计算结果相比,具有较好的一致性.结果表明:纤维百分含量的变化能够改变界面发生脱粘/滑移失效点的位置;界面发生脱粘/滑移后的脱粘扩展比界面完全粘结的脱粘扩展更容易发生;不考虑热不匹配的影响,仅通过增加界面摩擦系数不能使应力重分布发生很大变化.      

超高温度梯度定向凝固NiMnFeGa磁致形状记忆合金

利用超高温度梯度定向凝固装置制备出定向Ni51.2Mn20.0Fe13.0Ga15.8磁致形状记忆合金.沿晶体生长方向凝固组织由等轴晶逐渐过渡为柱状晶,马氏体变体取向性明显,γ相愈加细小,分布愈加均匀.Ni51.2Mn20.0-Fe13.0Ga15.8合金在加热和冷却过程中发生热致马氏体相变及逆相变,马氏体相变温度Ms＝121.3℃,Mf＝99.3℃,As＝118℃,Af＝147℃.     

轴承用8Cr4Mo4V钢稳定热处理期间相转变分析

为了研究稳定热处理期间8Cr4Mo4V钢的组织转变及尺寸变化规律,采用热膨胀仪和差热分析仪测定经淬火和回火处 理后的8Cr4Mo4V钢升温期间相变引起的尺寸及热流变化特征,分析了稳定热处理期间钢的相变特征,并采用扫描电镜观察了稳 定处理后的微观组织。结果表明：在8Cr4Mo4V钢淬火后的回火升温期间,马氏体回火相变温度为132~243 ℃,残余奥氏体转变温 度为215~303 ℃,马氏体分解为铁素体+碳化物的温度为278~420 ℃。随着稳定处理次数的增加,8Cr4Mo4V钢中的马氏体发生回 火转变的温度及马氏体分解为铁素体+碳化物的温度逐渐升高,钢中亚稳相的稳定性增加。当进行3次稳定处理后,未检测到钢 中发生马氏体回火相变,而马氏体分解为铁素体+碳化物的相变仍然存在。微观组织观察表明,随着稳定次数的增加,钢中析出的 碳化物数量增多。     

NiTi合金丝主要特征参量的测试和表征

对NiTi合金丝的相变与施加应力、温度的关系, NiTi合金丝的应力-应变与温度的相互关系, NiTi合金丝的回复力-温度-应变之间的关系和NiTi合金丝的弹性模量随温度的变化关系等进行了测试, 并且导出了相应的表征公式。这些特征参量和表征公式是进行NiTi合金丝智能复合构件研究的前提和基础。      

中间层厚度对陶瓷扩散焊接头应力分布影响的数值分析

采用有限元计算方法，对平面应变、平面应力两种应力状态下含中间层的陶瓷接头界面上应力分布规律进行数值分析。得到了接头界面上正应力和剪应力沿板定的分布曲线。结果表明，中间层材料厚度小时，两种应力状态下的正应力和剪应力在接头界面上滑板定的分布基本均匀。中间层材料厚度增大，平面应变状态下试件中部的正应力增大并出现峰值；平面应力状态下在试件自由瑞边缘正应力增大并出现峰值。两种应力状态下界面上的剪应力由板中央到板边缘逐渐增大，界面上边缘处最大剪应力的值也随中间层厚度的增加而增大。因此，在保证接头接合良好的前提下，应采用小厚度的中间层。     

复合材料界面的微观力学行为研究单纤维拉出试验

使用一专门设计的模型制作了碳化硅／玻璃复合材料单纤维拉出试样。利用纤维拉曼峰波九偏移一纤维所受应变的近似线性关系,首先测定纤维热残余应变的分布,随后对伸出玻璃基体外的纤维段施加给定的拉伸应变,沿纤维轴向用拉曼光谱术逐点测定基体内外纤维的应变,最后依据力平衡原理将应变分布转换为界面剪切应力沿纤维轴向的分布。结果表明：在给出一实验参数下,界面传递应力长度为０．１８ｍｍ,最大界面剪切应力的位置在ｘ为０．     

纤维增强铝基复合材料热残余应力细观力学模型

从复合材料内部组分的细观力学关系入手 ,建立了基底 /涂层 /纤维三层力学模型。该核型能够分析有涂层的连续纤维增强金属基复合材料在温度和机械载荷同时变化下的应力应变关系 ,并可用于计算铝基复合材料的制造热残余应力状态。算例分析表明 :涂层的物理性能对复合材料的整体力学性能有很大影响。在涂层上 ,有些残余应力分量远高于基底和纤维处的状况。涂层的弹性模量不同 ,对材料的横向应力影响最大     

振动时效对NiTi记忆合金双程记忆应变的影响

研究了振动时效对NiTi形状记忆合金双程记忆效应的影响.结果表明,当预应变较小或较大时,经过振动时效后NiTi合金的双程应变量增加;当预应变适中时,振动时效后NiTi合金的双程应变量减小.这可能是由于振动时效在NiTi合金中产生了微观塑性变形,改变了合金中的双程应力场而导致的.     

单向复合材料在低温下的应力集中及强度

首先采用计及基体拉力的修正剪滞模型,研究了在低温情形下受纵向拉伸荷载作用的单向纤维增强复合材料由部分纤维及基体断裂所导致的应力重新分布。然后采用随机临界核理论,对单向纤维增强复合材料在低温情形下的拉伸破坏过程进行了细观统计分析,定量地研究了低温对拉伸强度的影响。计算结果表明,在低温环境下,E-玻璃纤维和碳纤维复合材料的应力集中因子有不同程度的改变,其强度极限均比常温情形下高。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

Research of Optical Fiber Coil Winding Model Based on Large-deformation Theory of Elasticity and Its Application

Optical fiber coil winding model is used to guide proper and high precision coil winding for fiber optic gyroscope (FOG) application. Based on the large-deformation theory of elasticity, stress analysis of optical fiber free end has been made and balance equation of infinitesimal fiber is deduced, then deformation equation is derived by substituting terminal conditions. On condition that only axial tensile force exists, approximate curve equation has been built in small angle deformation scope. The comparison of tangent point longitudinal coordinate result between theory and approximation gives constant of integration, and expression with tangent point as origin of coordinate is readjusted. Analyzing the winding parameters of an example, it is clear that the horizontal distance from the highest point of wheel to fiber tangent point has millimeter order of magnitude and significant difference with fiber tension variation, and maintains invariant when wheel radius changes. The height of tension and accurate position of tangent point are defined for proper fiber guide. For application to fiber optic gyroscope, spiral-disc winding method and nonideal deformation of straddle section are analyzed, and then spiral-disc quadrupole pattern winding method has been introduced and realized by winding system. The winding results approve that the winding model is applicable.     

阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力及孔质量

根据碳纤维复合材料制孔过程中产生的缺陷,自主磨制专用钻头——阶梯钻对碳纤维复合材料进行钻削实验,研究了在不同加工参数下阶梯钻钻削碳纤维复合材料的钻削力、孔出口质量、孔壁表面粗糙度,并与普通麻花钻头进行对比。结果表明:阶梯钻产生的钻削轴向力是麻花钻的一半,孔壁表面粗糙度值更小,孔出口没有明显的缺陷,阶梯钻适合钻削碳纤维复合材料。     

光纤环瞬态温度梯度对Shupe误差的影响

光纤陀螺的承环结构不同,会影响光纤环的温度及温度梯度分布,进而影响陀螺的精度.对四种不同承环结构的光纤陀螺进行有限元瞬态热仿真,得到光纤环的温度分布.基于四极对称绕法绕制光纤环的截面数字离散化模型,绘制了四个光纤环沿展开光纤上的温度分布,计算了四个陀螺的轴向和径向温度梯度及其引起的Shupe误差.对比分析结果表明:承环结构形式不同,光纤环的轴向和径向温度梯度不同,轴向温度梯度对光纤环的Shupe误差影响更大.     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

NiTi形状记忆合金记忆效应衰减行为及其机理的研究

对近等原子比ＮｉＴｉ形状记忆合金经几种不同工艺处理后的记忆效应衰减行为进行了研究。利用透射电镜对其微观组织结构作了观察，并从微观结构方面入手，对记忆效应衰减机理进行了分析与探讨。