磁控形状记忆合金复合材料结构动力学性能研究

Based on the combination of the material macrostructural and microstructural theories together, the dynamic modelling and the vibrational analytical methods of the composite structure embedded by the alloy wires of the Ni-Mn-Ga shape material will be investigated in this project. The aims is to put forward some new basic theories and practical technology to identify the physical parameters of the Magnetically Controlled Shape Memory Alloys(MCSMA) Material and to predict the dynamics of the new composite structure. Firstly，a kinetics model deseribing macroscopic behavior of martensitic variants rearrangement in MCSMAs is proposed，which is based on a tensor description of thermo-dynamic continuum mechanics taking into account magnet-thermo-mechanical coupling on the martensite variants rearrangement process. Secondly,the experimental device is desigend and built to study the relationships of magnetic field, temperature and deformation effects on the mechanical chartrical of MCSMAs. Finally, A new type compisite sturctures is put forward and demonstrated the vibration control cabilitis by MCSMAs.

以埋入Ni-Mn-Ga材料丝的复合材料结构为研究对象，采用材料宏观理论与微观理论相结合的方法，通过实验数据验证，研究磁控形状记忆合金复合材料力学本构关系，构建磁控形状记忆合金复合材料结构动力学分析设计与评估理论体系。通过微观理论分析与实验测量验证，揭示电磁场、温度等因素对磁控形状记忆合金的相变特性、阻尼特性的影响，提出有效提高其阻尼能力的设计策略。本项目研究尽管是针对埋入Ni-Mn-Ga材料丝的复合材料结构展开的，但所得结果可以用于其它磁控形状记忆合金复合材料结构，并为研制具有典型应用背景磁控形状记忆合金复合材料结构的应用奠定理论与技术基础。

磁控形状记忆合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloy，简称MSMA)作为一种新型智能材料以其输出应变大、响应频率高等综合特性而呈现出广阔的应用前景。.本项目以Ni-Mn-Ga材料复合材料结构为研究对象，从材料微观角度出发，考虑磁控形状记忆合金在磁场和应力作用下材料的马氏体相变特性，构建力学模型演变磁控形状记忆合金复合材料力学本构关系。本项目还从微观的角度，阐释电磁场、温度对磁控形状记忆合金阻尼能力作用的机制，提出有效提高材料结构阻尼器的设计策略。.首先，建立了以马氏体体积分数为内部变量的一维单晶模型，根据Helmholtz自由能及自由能最小化原理，推导出了应力诱发马氏体相变马氏体体积分数增量关系，结合相变本构方程，模拟出了应力诱发马氏体相变的应力应变曲线，利用相变平衡等式和本构方程解释了应变软化现象。同时，研究了磁控记忆形状合金超弹性的机理。.其次，建立了含有应力择优取向的马氏体变体和磁场择优取向的马氏体变体的一维宏观唯象模型，利用Gibbs自由能及自由能最小化原理推导出了马氏体变体重定向驱动力因子，分别结合关于马氏体变体体积分数正弦函数和双曲正切函数，研究了MSMA在力磁耦合下，应力诱发马氏体变体重定向过程中马氏体变体体积分数变化，获得了在不同磁场强度下MSMA应力应变关系。分析磁场强度、温度等因素的变化与MSMA材料孪晶界迁移、晶界面等参数变化的关系，揭示磁控材料相变机理，指出：孪晶界移动是影响材料宏观应变变化的显著因素。.最后，设计了一种MSMA阻尼器。通过对形状记忆合金阻尼器的设计思路进行研究，利用MSMA材料在室温下马氏体状态下的高阻尼性能设计出了一种MSMA阻尼器，解释了MSMA阻尼器的工作原理，分析了其阻尼能力。.本项目研究磁控形状记忆合金复合材料结构，并为研制具有典型应用背景磁控形状记忆合金复合材料结构的应用奠定理论与技术基础。