形状记忆合金內滞回效应机理分析与本构建模研究

Internal hysteresis effect is an important mechanical characteristic of shape memory alloy (SMA) under partial phase transformation, considering the influence of the internal hysteresis effect to the phase transformation, deformation, dissipation and fatigue behavior, this project will study on the mechanism analysis and constitutive modeling of the internal hysteresis effect in SMA, by means of experimental, theoretical and numerical methods. The constitutive model takes into account, at crystalline scale the grain boundary defects, the internal stress and the residual martensite, and at macroscopic scale the dependence of the internal hysteresis effect on strain rate, temperature and loading path. Finally, a unified analysis and assessment method is introduced to investigate the influence of the internal hysteresis effect to the SMA training-service-fatigue behavior. The model and the method developed in this project will provide theoretical support for the design of SMA functional structures.

內滞回效应是形状记忆合金(Shape memory alloy, 简称SMA)不完全相变状态下的重要力学特性，本项目充分考虑內滞回效应对SMA相变、变形、耗散、疲劳等力学行为的影响，重点开展內滞回效应机理分析与本构建模研究。通过实验-理论-仿真相结合的手段，揭示內滞回效应形成机理（如晶界缺陷、内应力集中和残余马氏体堆积等因素），掌握温度、应变率与加载路径对內滞回效应的综合影响规律，发展能够合理描述內滞回效应的SMA本构模型，阐明內滞回效应对SMA相变、变形、耗散、疲劳等力学行为的影响机制，最终建立典型SMA功能构件训练-服役-疲劳行为一体化分析方法，实现结构整体效能（稳定性、功能性与耐久性）评估与验证，为SMA功能构件的研发设计提供理论支撑。

内滞回效应是形状记忆合金(Shape memory alloy, 简称SMA)不完全相变状态下的重要力学特性。本项目充分考虑内滞回效应对SMA相变、变形、耗散、疲劳等力学行为的影响，重点开展内滞回效应机理分析与本构建模研究。实验层面，本项目通过不完全加卸载条件下的SMA力学性能测试，揭示了材料微观结构特征如晶界缺陷、内应力集中和残余马氏体堆积对内滞回效应形成的决定作用，测定了应变率、温度和多轴非比例加载路径对内滞回效应的影响机制，得到了内滞回效应在循环载荷条件下的滞回环路演化规律。理论层面，从能量守恒、熵增原理和虚功原理出发，基于变形梯度的四阶乘法分解，在有限变形和一致性热力学框架下建立了合理描述内滞回效应的SMA本构模型。仿真层面，通过本构模型的数值离散和有限元集成，开展了典型SMA功能构件的训练-服役-疲劳行为分析，发展了训练-服役-疲劳行为一体化分析方法和结构整体效能评估与验证方法。研究成果应用于SMA驱动机构的设计中，充分考虑了内滞回效应对驱动效能的影响，准确预测了SMA驱动机构的服役行为和疲劳寿命，所研发机构已完成工程验证，验证结果充分满足设计需求，研究成果已应用到型号研发中。