【摘要】：復(fù)合材料車身板件對沖擊較為敏感,容易發(fā)生分層、基體開裂、纖維斷裂等損傷,導致強度降低。超彈性鎳鈦形狀記憶合金(Ni-Ti Shape Memory Alloy,簡稱Ni-Ti SMA)具有遲滯阻尼、抗沖擊、超彈性等特性。在加載過程中,當應(yīng)變達到一定程度會發(fā)生相變、晶格切變等現(xiàn)象,從而吸收沖擊能量;在卸載過程中發(fā)生逆相變,將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量散失,從而耗散部分沖擊能量,而且無殘余應(yīng)變。Ni-Ti SMA的上述特性為提升復(fù)合材料的耐沖擊性能提供了新的思路。本文將超彈性Ni-Ti SMA絲作為附加的增強纖維鋪設(shè)在玻璃纖維復(fù)合材料板中,通過仿真和實驗相結(jié)合的方式對復(fù)合材料板的沖擊響應(yīng)進行研究,主要內(nèi)容如下:(1)對超彈性Ni-Ti SMA絲進行準靜態(tài)拉伸實驗,獲得Ni-Ti SMA絲的基本力學參數(shù),為Ni-Ti SMA絲的有限元模型提供材料屬性。根據(jù)Ni-Ti SMA絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線構(gòu)建分段線性化模型,進行耗能密度、吸能密度公式的推導,為Ni-Ti SMA能量密度的計算提供理論依據(jù)。分析應(yīng)變幅值、應(yīng)變速率、循環(huán)加-卸載對Ni-Ti SMA絲能量密度的影響。對Ni-Ti SMA絲進行準靜態(tài)拉伸的有限元仿真,將吸能密度、耗能密度與實驗結(jié)果進行對比,誤差小于10%,驗證仿真結(jié)果的有效性。(2)采用接觸成型方法,對玻璃纖維復(fù)合材料板進行制備,通過拉伸實驗、切變實驗、電測實驗分別測得復(fù)合材料板的彈性模量、切變模量、泊松比等各項材料參數(shù),為在ANSYS/LS-DYNA中建立復(fù)合材料板的有限模型提供材料屬性。(3)制備含Ni-Ti SMA絲與不含Ni-Ti SMA絲的玻璃纖維復(fù)合材料板,對兩種復(fù)合材料板進行沖擊仿真,分析Ni-Ti SMA絲對復(fù)合材料板的沖擊響應(yīng)(板中心撓度及其峰值、沖擊力及其峰值、吸能量等)的影響。結(jié)果表明,嵌入Ni-Ti SMA絲后,Ni-Ti SMA絲的遲滯環(huán)效應(yīng)使部分沖擊能量耗散,從而復(fù)合材料板的剩余吸能量提升,驗證了 Ni-Ti SMA絲參與沖擊能量的吸收和耗散,復(fù)合材料板的撓度峰值、沖擊時間降低,沖擊響應(yīng)改善。(4)仿真研究Ni-Ti SMA絲的鋪設(shè)密度、鋪設(shè)位置對復(fù)合材料板沖擊響應(yīng)的影響,結(jié)果表明,隨著鋪設(shè)密度增加、鋪層位置降低,復(fù)合材料板的剛度提升,Ni-Ti SMA絲吸收的沖擊能量增加,復(fù)合材料板所承擔的沖擊能量、撓度峰值和沖擊時間降低。(5)基于Vic-3D-v7非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)和DH5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng),設(shè)計和搭建復(fù)合材料板的沖擊實驗臺,對含超彈性Ni-Ti SMA絲的復(fù)合材料板進行沖擊實驗,對比相同沖擊工況下的實驗與仿真結(jié)果,結(jié)果表明仿真與實驗吻合度較高,驗證有限元仿真結(jié)論的有效性。(6)對含不同材質(zhì)金屬絲的復(fù)合材料板進行沖擊實驗。研究表明,與普通金屬絲相比,Ni-Ti SMA絲能更有效的提高復(fù)合材料板承受沖擊載荷的能力,撓度峰值、沖擊時間、剩余撓度降低,抑制了材料損傷的擴展。(7)對含Ni-Ti SMA絲與不含Ni-Ti SMA絲的復(fù)合材料板進行沖擊響應(yīng)的對比分析,實驗結(jié)果表明,Ni-Ti SMA絲使復(fù)合材料板的撓度峰值降低了 37%,沖擊時間減少2.92ms,剩余撓度降低為Omm,復(fù)合材料返還給沖頭的能量增加3.18J,使得用于損傷的能量減少,有效地降低復(fù)合材料的沖擊損傷。(8)分別對含Ni-Ti SMA絲與不含Ni-Ti SMA絲的復(fù)合材料板進行兩次沖擊,對比兩次沖擊響應(yīng),含Ni-Ti SMA絲的復(fù)合材料板的各響應(yīng)曲線無明顯變化,背面無明顯損傷,而不含Ni-Ti SMA絲的復(fù)合材料板沖擊力曲線震蕩劇烈,撓度峰值進一步增加,出現(xiàn)嚴重損傷,驗證了 Ni-Ti SMA絲對復(fù)合材料板的耐沖擊性的提升。(9)對含不同直徑的Ni-Ti SMA絲的復(fù)合材料板進行沖擊響應(yīng)分析,結(jié)果表明,隨Ni-Ti SMA絲直徑的增加,可承受的沖擊力峰值增大,撓度峰值、沖擊時間降低,當直徑超過0.4mm后,損傷的抑制效果穩(wěn)定。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33
【圖文】：

圖２．１實驗設(shè)備及所用材料逡逑下為奧氏體的超彈性Ｎｉ－ＴｉＳＭＡ，生的實驗誤差，選取合金絲的直。截取試件長度２００ｍｍ，通過上、00ｍｍ。實驗機配置力傳感器，可器可以獲取合金絲有效長度的變公式（２．１）和（２．２）換算可以４Ｅ邋＝邋—Ｉ逡逑ＳＭＡ的應(yīng)力、應(yīng)變，Ｆ為ＳＭＡ

QR變逡逑圖２．２超彈性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲的應(yīng)力－應(yīng)變曲線逡逑如圖２．２所示，為常溫下為奧氏體相的超彈性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲在拉伸－卸載過程中的逡逑應(yīng)力－應(yīng)變曲線。根據(jù)應(yīng)力－應(yīng)變曲線，可以獲�。危椋裕椋樱停两z的基本力學性能，比如各逡逑相變起始應(yīng)力、結(jié)束應(yīng)力、奧氏體彈性模量、馬氏體彈性模量等參數(shù)。從圖中可以看逡逑出，Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ為超彈性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲的相變臨界點，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線分為五個階逡逑段：（ａ）邋ＡＢ段為加載過程中的彈性變形階段，Ｎｉ－ＴｉＳＭＡ絲處于奧氏體相，與普通金逡逑屬的彈性變形階段相同，加載與卸載的應(yīng)力－應(yīng)變曲線重合，未發(fā)生相變；（ｂ）邋ＢＣ段逡逑為Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲的馬氏體相變階段，當合金絲所受應(yīng)力達到Ｂ點處的馬氏體相變起始逡逑應(yīng)力時發(fā)生屈服，^u始由奧氏體相向馬氏體相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生應(yīng)力平臺，即隨應(yīng)變逡逑的增加應(yīng)力基本不變，當應(yīng)力達到Ｃ點處的馬氏體相變結(jié)束應(yīng)力（ａ＾），Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ逡逑絲完全相變?yōu)轳R氏體相

Ａ邋變逡逑圖２．３不同預(yù)應(yīng)變幅值下Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲卸載后的長度逡逑由圖２．３可以看出，超彈性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲在３°／。－８％的預(yù)應(yīng)變幅值下，卸載后完全逡逑Ｎ復(fù)到初始長度。預(yù)應(yīng)變幅值達到９％時，合金絲在卸載后無法回復(fù)至初始長度，存在逡逑３％的不可回復(fù)應(yīng)變。所以超彈性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲的最大可回復(fù)預(yù)應(yīng)變幅值為８°／。。Ｎｉ－Ｔｉ逡逑ＳＭＡ絲所具有的超彈性，即使產(chǎn)生高達８％的應(yīng)變，也能在卸載后恢復(fù)原始長度，幾逡逑乎沒有殘余應(yīng)變，因此可以重復(fù)使用。逡逑２．３超彈性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲的耗能原理逡逑超彈性Ｎｉ－Ｔｉ邋ＳＭＡ絲的高阻尼能力取決于應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變＿，應(yīng)力誘發(fā)馬氏逡逑體相變有兩個特點：Ｉ．奧氏體的彈性模量大于馬氏體的彈性模量；２．拉伸變形后可以逆逡逑相變Ｎ復(fù)到應(yīng)變?yōu)?。馬氏體的介質(zhì)損耗因子為０．０６－０．１，遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)金屬隨外逡逑載荷的增加，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體數(shù)量增加，馬氏體界面以及馬氏體變體界面上晶格切變逡逑運動耗散部分能量。當應(yīng)力較高時，有利取向的馬氏體變體吞噬不利取向的變體而長逡逑大

【參考文獻】

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本文編號：2783999