TiNi相變固支梁的沖擊響應(yīng)研究.pdf

1、由于相變材料獨(dú)特的力學(xué)性能，在工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其材料性能的研究也相對(duì)成熟，然而對(duì)于相變材料結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能研究，特別是在沖擊載荷下的響應(yīng)的研究卻十分匱乏。相變結(jié)構(gòu)的沖擊特性研究無(wú)論在應(yīng)用上還是學(xué)術(shù)上都具有重要意義。本文主要以固支梁作為研究對(duì)象，從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面，對(duì)具有相變特性的TiNi合金固支梁的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)了一些新現(xiàn)象和新規(guī)律。主要結(jié)果有：
　　 采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了大質(zhì)量低

2、速?zèng)_擊下的PE狀態(tài)的TiNi合金固支梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)相變鉸以及彎矩、軸力在動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程中演化規(guī)律的分析，闡明了大質(zhì)量低速?zèng)_擊下相變固支梁的動(dòng)力響應(yīng)模式和相變對(duì)變形機(jī)制的影響。研究結(jié)果表明：固支梁的早期響應(yīng)以彈性彎曲波傳播的波動(dòng)響應(yīng)為主，彈性彎曲波在梁內(nèi)往復(fù)傳播約3-5次后，構(gòu)件逐漸過(guò)渡到以整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)為主。載荷作用下彈性彎曲波逐漸發(fā)展成為相變彎曲波，最終在撞擊點(diǎn)和固支端形成相變鉸。相變鉸的形成使應(yīng)變和能量沉積明顯局部化，使得梁成

3、為一個(gè)二桿鉸接運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，中性面偏移，梁的變形演變?yōu)殂q的轉(zhuǎn)動(dòng)和桿的拉伸變形，軸力成為主要因素。大質(zhì)量低速?zèng)_擊下固支梁的響應(yīng)階段分別為：彈性彎曲波的的傳播和反射；彈性結(jié)構(gòu)響應(yīng)；局部相變；相變鉸形成演化；相變鉸的移動(dòng)；桿機(jī)構(gòu)的形成。局部相變將使得響應(yīng)出現(xiàn)局部化特征。相變鉸的形成使得梁繞鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致鉸區(qū)外的彎矩迅速降低；同時(shí)對(duì)梁內(nèi)的高頻彎曲波的傳播具有抑制作用。當(dāng)相變鉸處的材料進(jìn)入馬氏體相后，相變鉸將分裂并移動(dòng)。卸載時(shí)，相變鉸消失，梁回復(fù)至初始

4、態(tài)，這一點(diǎn)不同于傳統(tǒng)的理想彈塑性梁。
　　 利用改裝的SHPB裝置，對(duì)處于PE狀態(tài)的TiNi固支梁、鉸支梁進(jìn)行了小質(zhì)量高速橫向沖擊實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)固支梁進(jìn)行了非對(duì)稱(chēng)撞擊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：整個(gè)響應(yīng)過(guò)程，波動(dòng)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時(shí)間分解點(diǎn)大約為1ms。波動(dòng)響應(yīng)階段，固支梁在高速?zèng)_擊下的響應(yīng)特征為高幅值的彎曲波傳播。通過(guò)與反射波的疊加將在局部特定時(shí)刻產(chǎn)生相變，由于該相變區(qū)相變含量較低，并不穩(wěn)定，隨時(shí)間的增加將會(huì)消失。結(jié)構(gòu)響應(yīng)階段，將會(huì)形成相變彎

5、曲波的傳播。不同速度沖擊下，彎曲波動(dòng)階段表現(xiàn)為傳播的彎曲波幅值增加，將引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)階段的相變含量分布不同。對(duì)于鉸支梁，高速?zèng)_擊下將會(huì)產(chǎn)生高頻低幅值的彎曲波傳播。這些高頻低幅值的彎曲波將使得撞擊位置形成相變鉸的時(shí)間增加。對(duì)于非對(duì)稱(chēng)撞擊，對(duì)于距離撞擊位置較小的一段，將會(huì)在撞擊點(diǎn)和固定端形成兩個(gè)大的相變區(qū)，中間為彈性區(qū)，對(duì)于較長(zhǎng)的一段，在中間可能形成相變鉸，呈現(xiàn)與固支梁對(duì)稱(chēng)撞擊不同的特性。由于溫度效應(yīng)，使得相變區(qū)域擴(kuò)展，沒(méi)有形成理想的二桿鉸接

6、機(jī)構(gòu)。表明相變產(chǎn)生的溫度升高將使得相變鉸硬化，同時(shí)相變使得材料軟化，二種效果的綜合效應(yīng)需要進(jìn)一步的研究。
　　 通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了不同質(zhì)量比和不同沖擊速度下相變固支梁的響應(yīng)，結(jié)果表明，波動(dòng)階段受沖擊速度影響較大，基本與質(zhì)量比無(wú)關(guān)。結(jié)構(gòu)響應(yīng)與沖擊能量相關(guān)，隨著沖擊能量的增加，將會(huì)使得結(jié)構(gòu)從鉸接曲梁機(jī)構(gòu)向二桿鉸接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變。軸力產(chǎn)生是動(dòng)態(tài)沖擊下固支梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的固有屬性。軸力的產(chǎn)生使得輸入能量大部分以拉伸變形能的形式存儲(chǔ)。
　　

7、 研究了階躍載荷作用下無(wú)限長(zhǎng)梁的彎曲波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)利用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同幅值階躍載荷作用下TiNi合金固支梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用模態(tài)疊加法得到了固支梁、簡(jiǎn)支梁在階躍載荷作用下的彈性彎曲波解析解，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明：在0.01ms內(nèi)誤差較大，這是由于初始階段主要激起的是高頻彎曲波的傳播，我們采用有限模態(tài)疊加，所以誤差較大；其他時(shí)間范圍吻合程度較高。這說(shuō)明我們數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性。對(duì)剪切和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響進(jìn)行了討論，結(jié)果表

8、明，對(duì)我們所研究的梁可以采用Euler理論進(jìn)行描述。利用2m長(zhǎng)的梁模擬了無(wú)限長(zhǎng)梁的彎曲波動(dòng)響應(yīng)。得到了1Fc、2Fc、以及4Fc階躍載荷作用下的彎曲波動(dòng)響應(yīng)以及相變響應(yīng)。利用上述結(jié)果考察了相變對(duì)彎曲波傳播的影響。結(jié)果表明，相變對(duì)彎曲波的傳播具有抑制作用。在高幅值階躍載荷作用下，相變會(huì)發(fā)生在波動(dòng)階段，低幅值載荷作用下相變會(huì)發(fā)生在結(jié)構(gòu)響應(yīng)階段；階躍載荷作用下，能量的耗散幅值隨輸入能量的增加而增加；響應(yīng)過(guò)程中，梁的慣性力具有重要作用；最終梁的