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TiNi合金圆薄板的冲击响应研究

作　者: 崔世堂
导　师: 唐志平
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 工程力学
关键词: 相变结构冲击板弯曲波相变铰
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

相变材料具有独特的力学性能,对材料和结构的力学响应带来重大影响,成为固体力学和材料科学的重点研究领域之一。TiNi合金是研究最早、应用最广泛的一种相变材料,在航空航天、机械电子、生物医学等领域得到广泛的应用。然而,对于TiNi合金结构件在冲击载荷下的响应的研究并不多。本文选取工程上广泛应用的基本构件-板作为研究对象,分别从实验和数值两方面对准静态和动态冲击下,周边固支TiNi合金板的力学行为进行系统的研究,揭示在复杂应力状态下相变的产生、发展以及演化规律,为相变构件的理论研究和实际应用提供参考依据。采用实验和数值模拟的方法,对周边固支TiNi合金圆薄板在集中载荷作用下的准静态力学行为进行了研究,利用阴影云纹法和应变片方法得到了载荷位移曲线,全场离面位移和局部应变等数据。载荷位移曲线呈现非线性滞回和无残余变形的特性,表明试样已经发生马氏体相变。应变测量显示,相变局限于加载中心较小区域,相变区内,环向应变大于径向应变,且拉伸侧应变大于压缩侧的应变。有限元模拟揭示出相变区内两侧表层的相变范围、相变铰区和马氏体相含量的不对称分布规律。采用数值方法研究了周边固支TiNi合金圆薄板在均布载荷作用下的准静态力学行为,相变首先发生在板边缘加载侧,并随着载荷的增大相变区和相变含量增大。当载荷超过3.2Pc时,在板自由侧自中心开始发生相变,随载荷幅值的增大相变区迅速向外扩展；载荷为5Pc时,板自由侧表层相变区的半径扩大至67.5mm,但相变含量较低,加载侧中心区仍处于奥氏体弹性状态。利用改进的SPHB装置,对处于PE状态的周边固支TiNi圆薄板进行了不同子弹长度和弹速的冲击实验,并与弹塑性板进行了对比研究。初步得到了该结构在时空2个尺度上的动态力学响应的演变发展现象和规律,包括板中弯曲波的传播、相变区的演化和全场的离面位移等。实验发现冲击下TiNi合金板的响应过程可分为早期波动响应、整体结构响应和后期自动振动三个阶段。相变首先发生在撞击点附近的中心区域并形成相变铰,相变区以及相变铰区具有明显的可回复性并承担了大部分的变形和能量吸收。在冲击过程中,相变区以及相变铰区具有波动性,在板两侧相变区以及相变铰区呈现出明显的不对称性。对于不同子弹在长度不同而动能几乎相同的情况下冲击TiNi合金圆薄板,长子弹冲击时板的响应时间长,子弹和板脱离的时间比较短,板中心形成的相变区半径略大,而板中心的最大挠度差别不明显。借助于有限元软件LS-DYNA,对周边固支TiNi合金圆薄板在阶跃载荷矩形载荷作用下的动态力学响应进行了数值研究,分析了相变铰的演化过程,以及高载短脉冲作用下板的变形行为。阶跃载荷作用下,会在边界形成相变铰区、中部铰带以及连续的铰区等不同形式。矩形载荷作用下,在相同冲量作用下,载荷的幅值高,外力做的功多,相应板中心的挠度大,相变区、相变铰区的范围大,相变持续的时间长。从能量耗散的角度来看,TiNi板耗散能量时间比较长,在板第一次回复到平衡位置前的这一段时间,耗散的能量超过总能量的45%,随后每个周期(板到达平衡位置的时间间隔)耗散的能量与总能量的比值依次降低,最终会由于正逆相变消耗掉约98%的能量。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-13
第一章绪论  13-33
  1.1 引言  13
  1.2 经典薄板弹性理论发展简介  13-19
  1.3 薄板冲击响应的理论研究  19-25
    1.3.1 板内弯曲波的经典理论  19-22
    1.3.2 板的动塑性响应  22-25
  1.4 TiNi形状记忆合金的相变特性  25-26
  1.5 相变结构件的研究现状  26-30
    1.5.1 相变梁的研究  26-28
    1.5.2 相变壳的研究  28-30
  1.6 本文的主要工作  30-33
第二章 TiNi合金圆薄板准静态实验研究  33-57
  2.1 引言  33-34
  2.2 周边固支TiNi合金板的准静态力学性能研究  34-49
    2.2.1 TiNi合金材料力学性能测定  34-35
    2.2.2 实验装置及测试方法  35-38
    2.2.3 实验结果概述  38
    2.2.4 典型实验的结果  38-40
    2.2.5 数值分析与实验比较  40-42
    2.2.6 相变区的分布  42-46
    2.2.7 不同压力作用下相变区的分布  46-49
  2.3 均布载荷作用下TiNi合金圆薄板力学行为研究  49-55
    2.3.1 计算模型  49-50
    2.3.2 不同载荷作用下相变区的分布  50-53
    2.3.3 均布载荷作用下板内内力分布  53-55
    2.3.4 挠度比较  55
  2.4 本章小结  55-57
第三章 TiNi合金圆薄板冲击特性研究  57-83
  3.1 引言  57
  3.2 TiNi合金圆薄板的冲击实验过程  57-61
    3.2.1 实验装置及测试方法  57-60
    3.2.2 实验结果  60-61
  3.3 子弹3冲击周边固支TiNi合金板的实验结果  61-69
    3.3.1 云纹图片  61-65
    3.3.2 撞击早期板内弯曲波的传播  65-66
    3.3.3 冲击过程板内材料的相变演化  66-68
    3.3.4 相变区的特点  68-69
    3.3.5 相变铰对变形的影响  69
  3.4 子弹1冲击周边固支TiNi合金板的实验结果  69-74
    3.4.1 高速CCD纹图片  70-72
    3.4.2 冲击过程板内材料的相变演化  72-74
  3.5 不同长度和速度的子弹冲击TiNi圆薄板的响应特性  74-79
    3.5.1 同一子弹不同速度冲击  74-76
    3.5.2 不同子弹不同速度冲击  76-78
    3.5.3 吸能效率研究  78-79
  3.6 周边固支弹塑性钢板的横向冲击结果  79-80
  3.7 本章小结  80-83
第四章子弹冲击TiNi合金圆薄板的数值研究  83-119
  4.1 引言  83
  4.2 200mm子弹4.74m/s冲击TiNi合金圆板  83-98
    4.2.1 材料力学模型  83-84
    4.2.2 计算几何模型  84-85
    4.2.3 数值模拟与实验结果的比较  85-89
    4.2.4 计算结果分析  89-98
  4.3 200mm子弹8m/s冲击TiNi合金圆板  98-104
    4.3.1 200mm子弹以8m/s冲击  98-99
    4.3.2 相变区的时空演化及对板响应的影响  99-104
  4.4 100mm子弹9.30m/s冲击TiNi合金圆板  104-110
    4.4.1 100mm子弹以9.30m/s冲击  105-106
    4.4.2 相变区的时空演化及对板响应的影响  106-110
  4.5 100mm子弹20m/s冲击TiNi合金圆板  110-113
    4.5.1 TiNi合金板的动态响应特性  110-111
    4.5.2 相变区以及相变铰区的分布  111-113
  4.6 不同子弹冲击TiNi合金板的动态响应比较  113-116
    4.6.1 载荷比较  113
    4.6.2 板中心的位移和挠度比较  113-115
    4.6.3 相变情况比较  115-116
  4.7 吸能效率研究  116-117
  4.8 本章小结  117-119
第五章分布载荷作用下TiNi合金板的响应特性研究  119-147
  5.1 引言  119
  5.2 阶跃均布载荷作用下TiNi合金板的响应  119-131
    5.2.1 弹性弯曲波的传播  119-122
    5.2.2 低载情形下TiNi合金板的响应  122-126
    5.2.3 高载情形下TiNi合金板的响应  126-131
  5.3 矩形载荷作用下TiNi合金板的响应  131-135
    5.3.1 加载脉宽为0.30ms时板的响应特性  131-134
    5.3.2 加载脉宽对早期相变区域的影响  134-135
  5.4 高载短脉冲作用下板的响应分析  135-142
    5.4.1 与弹塑性板结果的比较  138-139
    5.4.2 不同载荷幅值下板响应的比较  139-140
    5.4.3 冲击响应过程中的能量分析  140-142
  5.5 矩形载荷与集中载荷作用下板响应对比  142-144
  5.6 本章小结  144-147
第六章爆炸载荷作用下TiNi合金板的响应特性研究  147-157
  6.0 引言  147-148
  6.1 TiNi合金圆薄板的爆炸冲击实验过程  148-150
    6.1.1 实验装置与测量方法  148-150
  6.2 实验结果  150-156
    6.2.1 爆炸载荷作用下固支TiNi合金板的实验结果  150-152
    6.2.2 爆炸过程典型实验板内材料的相变演化  152-154
    6.2.3 两种载荷作用下板内应变变化比较  154-156
  6.3 本章小结  156-157
第七章全文总结和展望  157-161
  7.1 全文总结  157-159
  7.2 现有工作的不足和展望  159-161
参考文献  161-169
致谢  169-171
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  171

TiNi合金圆薄板的冲击响应研究

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