形狀記憶合金智慧結構（簡體書）

本書以航空航天領域的結構設計需求為背景, 通過開展設計需求分析、結構方案設計、材料性能測試、本構模型表徵、驅動器設計、結構設計及優化、試驗測試與驗證、產品工程化等環節, 本書提出和發展了針對SMA智能結構較完整的基礎理論、設計方法及研製流程。書中同時給出了一些工程應用實例, 包括課題組研製的系列化SMA航天壓緊釋放機構、SMA航天鎖緊機構、主動變剛度的轉子支承結構、擬橡膠金屬減振器、SMA主動阻止裂紋擴展結構、SMA均載螺栓等智能結構, 以期進一步推動SMA智能結構的工程應用。

目錄
前言
第1章緒論1
1.1智能結構1
1.1.1結構衍變歷史1
1.1.2智能材料特點2
1.1.3智能結構定義4
1.2形狀記憶合金5
1.2.1宏觀力學特性5
1.2.2微觀相變機制7
1.2.3SMA發展歷程9
1.3SMA智能結構10
1.3.1定義及分類10
1.3.2研製流程12
1.4國內外研究現狀15
1.4.1材料性能測試15
1.4.2本構模型表徵18
1.4.3驅動器設計22
1.4.4工程應用23
1.5本書內容安排33
參考文獻34
第2章SMA材料性能及測試方法47
2.1概述47
2.2相變溫度測試47
2.2.1概念及定義47
2.2.2測試方法48
2.2.3測試實例50
2.3基本力學性能測試52
2.3.1概念及定義52
2.3.2測試方法54
2.3.3測試實例56
2.4力學性能衰減測試59
2.4.1概念及定義59
2.4.2測試方法60
2.4.3測試實例61
2.5熱處理工藝68
2.5.1消除加工硬化68
2.5.2調節相變溫度69
2.5.3改善力學性能70
2.5.4設定初始形狀71
2.6小結72
參考文獻72
第3章SMA本構模型73
3.1概述73
3.2多相變SMA本構模型73
3.2.1三維本構模型73
3.2.2有限元數值計算及驗證80
3.2.3一維本構模型89
3.3考慮循環衰減的一維本構模型92
3.3.1循環衰減特點92
3.3.2衰減控制方程96
3.3.3算例及驗證97
3.4擬溫度法101
3.4.1擬溫度法原理101
3.4.2擬溫度法算例103
3.5折線型超彈性本構模型105
3.5.1折線型模型106
3.5.2等價線性化分析107
3.5.3單自由度系統算例108
3.6小結109
參考文獻109
附錄符號對照表112
第4章SMA驅動器設計理論與方法116
4.1概述116
4.2驅動器分類及特點116
4.2.1恆定載荷驅動器117
4.2.2線性變載荷驅動器117
4.2.3突變載荷驅動器118
4.2.4不同運動輸出的驅動器119
4.3驅動器的性能設計121
4.3.1恆定載荷驅動器121
4.3.2線性變載荷驅動器124
4.3.3突變載荷驅動器129
4.4驅動器的壽命預測132
4.4.1失效過程分析133
4.4.2壽命預測模型134
4.4.3試驗驗證138
4.5小結142
參考文獻142
第5章SMA航天壓緊釋放機構145
5.1概述145
5.2掛鉤式壓緊釋放機構SMA100145
5.2.1設計需求分析145
5.2.2結構方案設計146
5.2.3驅動器設計146
5.2.4試驗測試與驗證147
5.3分瓣螺母壓緊釋放機構SMA3600150
5.3.1設計需求分析150
5.3.2結構方案設計151
5.3.3驅動器設計153
5.3.4試驗測試與驗證154
5.4二級觸發壓緊釋放機構SMA10000158
5.4.1設計需求分析158
5.4.2結構方案設計158
5.4.3驅動器設計160
5.4.4試驗測試與驗證161
5.5分組滾棒壓緊釋放機構SMA30000168
5.5.1設計需求分析168
5.5.2結構方案設計168
5.5.3驅動器設計170
5.5.4試驗測試與驗證171
5.6小結175
參考文獻175
第6章SMA航天鎖緊機構177
6.1概述177
6.2SMA磁懸浮飛輪鎖緊機構177
6.2.1設計需求分析177
6.2.2結構方案設計178
6.2.3驅動器設計179
6.2.4試驗測試與驗證180
6.3SMA饋源鎖緊機構185
6.3.1設計需求分析185
6.3.2結構方案設計185
6.3.3驅動器設計186
6.3 .4試驗測試與驗證187
6.4SMA電機190
6.4.1設計需求分析190
6.4.2結構方案設計191
6.4.3驅動器設計192
6.4.4試驗測試與驗證194
6.5小結196
參考文獻197
第7章SMA減振結構199
7.1概述199
7.2主動變剛度的轉子支承結構199
7.2.1設計需求分析199
7.2.2結構方案設計200
7.2.3驅動器設計204
7.2.4試驗測試與驗證205
7.3擬橡膠金屬減振器210
7.3.1擬橡膠金屬元件211
7.3.2減振器結構215
7.3.3減振器性能試驗215
7.3.4其他SMA阻尼減振結構220
7.4考慮預應力的大阻尼減振器設計223
7.4.1預壓縮對SMA減振器特性的影響225
7.4.2考慮預壓縮、預拉伸影響的減振器設計229
7.5小結232
參考文獻233
第8章SMA強度自適應結構234
8.1概述234
8.2主動阻止裂紋擴展結構234
8.2.1工作原理234
8.2.2結構製作236
8.2.3結構方案設計237
8.2.4試驗測試與驗證242
8.3均載螺栓249
8.3.1工作原理250
8.3.2結構方案設計252
8.3.3試驗測試與驗證254
8.4小結259
參考文獻259
第9章總結261
9.1研製流程總結261
9.2未來發展趨勢270
參考文獻271

第1章緒論
1.1智能結構
結構是反映有形物體或無形認知等相互之間關係的概念。結構本身可以由一個或多個物體組成，如機械結構、建築結構等；也可以是一種屬性，如社會結構、數據結構等［1，2］。本書的結構是指由單個或者多個物體組成，能夠維持自身形狀，並具有一定剛度、阻尼和承載能力的裝配體。
按照來源不同，結構可以劃分為天然結構和人造結構。天然結構廣泛存在於自然界中，如岩石、地殼、植物和動物的組成部分等；人造結構是人類在自然界物體的基礎上發明和製造的，如石器、機械、電子產品等。
1.1.1結構衍變歷史
天然結構，尤其是生物體相關的結構，在大自然的長期進化和衍變過程中，形成了經過優化、高效的組織形式，使結構不單具有傳統的剛度、承力、支撐功能，還能夠根據外界環境的變化，自我傳感、思考、驅動，以改變自身的狀態，適應外界環境，具有智能化的特徵。例如，人類的皮膚（圖1.1），它本身集多種傳感、驅動功能為一身，不僅作為人體的保護結構，還具有溫度、濕度、壓力等傳感功能，能驅動毛孔、汗毛、汗腺等的運動，實現人體溫度調節。再如，蠶繭（圖1.2）是非常輕質的多孔結構，其內部結構優化、高效，不僅透氣性好，還有一定的阻尼，能夠消耗一定的外界攻擊能量，保護蠶蛹免受傷害。
圖1.1人類皮膚結構
圖1.2蠶繭
人造結構隨著人類歷史發展，其“智能化”程度也在不斷提高（圖1.3）。在石器時代，人類直接使用石材、骨頭等天然材料，通過簡單打磨，製造出的結構形狀簡單、功能單一；青銅器時代，銅被發現並用於鑄造結構，青銅器外形精緻，功能多樣；鐵器時代，人類掌握了鐵的冶煉和製造技術，結構的強度進一步提高，形狀進一步優化；蒸汽時代，隨著蒸汽機的發明，結構有了動力源，變成了“活”的結構；電氣時代，隨著內燃機、電機等更多動力源的出現和自控技術的快速發展，結構不僅能夠“活”動，而且具備自我控制能力；當前所處的信息時代，隨著計算機的發明和普及、微納米加工技術的發展、新型微傳感器與驅動器的出現，結構能夠自我思考、傳感、驅動，更加趨近於自然界中的生命體。從圖1.3可以看出，隨著人類文明從石器時代發展到現在的信息時代，人造結構的形式越來越精巧，功能越來越多樣化，“智能化”程度越來越高。
圖1.3人造結構衍變歷史
1.1.2智能材料特點
智能材料是指材料的一種或多種性質（如阻尼、剛度、形狀、電阻等）會在激勵（如力、熱、光、電、磁等）作用下，發生顯著變化［3］。根據用途不同，智能材料通常可分為兩大類：傳感（或敏感）材料和驅動材料。
傳感材料是指對來自外界或內部的刺激強度及變化具有感知能力，並能以電流、電壓、磁場、光等信號進行反饋的材料。這類材料可以用於結構中，實現傳感功能。常見的傳感材料有光纖、熱敏材料、變形敏感材料等。利用傳感材料可以製作傳感器。傳感器是一種能感受指定的被測量，並輸出信號的器件或裝置［4］。
驅動材料可以根據溫度、電場或磁場等的變化來改變自身的顏色、形狀、尺寸、位置、剛性、阻尼、相位、內耗等性能，可用在結構中，實現驅動功能。常見的驅動材料有形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）、壓電材料、電流變材料等。利用驅動材料可以製作驅動器，驅動器是一種將能量（如電能、液壓、氣壓、電磁等）轉換為運動或力輸出的裝置，通常用於結構或系統的移動或控制［5］。
在結構中選用智能材料驅動時，評價其性能的關鍵指標有驅動應力和應變、能量密度、驅動頻率等［6］。圖1.4為常用智能材料驅動應力、應變及體積能量密度（單位體積中的能量）的對比。圖1.5為能量密度（單位質量中的能量）及驅動頻率的對比。可以看出，在現有智能材料中，SMA的能量密度最高，同時也具有較高的驅動頻率
圖1.4常用智能材料驅動應力、應變及體積能量密度對比［6］
圖1.5常用智能材料能量密度及驅動頻率對比［6］
、較大的輸出應力和應變，綜合性能突出，是一種在工程中易於推廣使用的智能材料。
1.1.3智能結構定義
智能結構是在結構中集成智能材料作為傳感器和（或）驅動器，使結構除了具有承載、傳力、連接等功能外，還具有感知自身狀態（溫度、壓力、速度等） 、改變自身性質（剛度、阻尼、形狀等）等功能，以更好地適應外界環境的變化，實現預定功能的一類結構。
智能結構的最顯著特點是結構和傳感器、驅動器高度集成，這個特點使智能結構明顯區別於傳統的具有主動控制功能的結構。如圖1.6所示，傳統的具有主動控制功能的結構一般包含傳感器、驅動器、控制器等多個部分，並且傳感器、驅動器的界限分明。相比之下，智能結構由於利用了智能材料的固有驅動、傳感特性，直接將智能材料集成到結構之中，使結構更接近於生物體結構，智能和自適應特點更明顯，能夠更好地實現結構的功能。
圖1.6傳統主動控制結構和智能結構的對比
在航空航天飛行器、精密儀器等系統中，為了減輕質量，提高智能化程度，往往在系統中採用智能結構來滿足設計
圖1.7智能蜂窩結構［7］
和使用需求。例如，智能蜂窩結構將蜂窩作為基體材料，在其中嵌入多個光纖傳感器，通過計算機處理光纖中的信號，及時掌握自身溫度、應力分佈，實現對自身狀態的實時監控（圖1.7）［7］。智能機翼在機翼龍骨結構中集成壓電驅動器，當外界來流變化或飛機自身需要進行特殊姿態飛行時，可利用驅動器改變機翼的彎曲形狀，保證氣動性能最優（圖1.8）［8 ］。
圖1.8美國SmartWing計劃發展的智能機翼結構［8］
1.2形狀記憶合金
形狀記憶合金是一類能夠“記憶”其初始形狀的合金材料，由於同時具有傳感和驅動功能，是一種智能材料。SMA具有兩種特殊的宏觀力學性能，即形狀記憶效應（shapeme mory effect，SME）和超彈性（super elasticity，SE），都是由其內部的微觀相變機制引起的。目前，SMA已經在工業、醫學等領域得到了較為廣泛的應用。
1.2.1宏觀力學特性
SMA重要的宏觀力學特性包括：形狀記憶效應和超彈性。
圖1.9形狀記憶效應示意圖
形狀記憶效應是指SMA在環境溫度低於其相變溫度時，對其加載並卸載，卸載後存在殘餘應變，此時對SMA加熱，就可以使殘餘應變消失，SMA完全回復到加載前的形狀，見圖1.9。
基於形狀記憶效應，SMA可以用來作為驅動器。如圖1.10所示，用SMA製作成彈簧，通過對彈簧反復加熱、冷卻，彈簧將會反复提升、降低重物，對重物做功。這個過程就是形狀記憶效應的一種體現形式，對於這種SMA在反复
加熱、冷卻下對恆定負載做功的循環，本書稱為形狀記憶循環。形狀記憶循環下的應變溫度變化曲線如圖1.11所示。本書第5～8章介紹的SMA航天壓緊釋放機構、SMA航天鎖緊機構、主動變剛度的轉子支承結構、SMA主動阻止裂紋擴展結構等都利用了SMA的形狀記憶效應。
圖1.10SMA彈簧的形狀記憶循環
圖1.11形狀記憶循環下的應變溫度曲線
當SMA用於驅動器時，通常會設計與之相配合的偏置彈簧（或偏置彈性結構），使其在回復後還能在偏置彈簧作用下重新被拉伸，實現雙程驅動，其原理如圖1.12所示［9］。這類SMA驅動器比較常見，如本書第5、6章介紹的SMA航天壓緊釋放機構和SMA航天鎖緊機構都採用了這樣的驅動器。
超彈性是指當SMA處於較高環境溫度時，對其施加應力使其發生較大變形，當應力釋放後，SMA仍能回復到變形前的初始形狀的現象，見圖1.13。
圖1.12SMA絲偏置彈簧驅動器［9］
圖1.13SMA超彈性示意圖
基於超彈性特性，SMA可用在很多需要大變形或大阻尼的結構中。典型的超彈性如圖1.13所示，通過重物對超彈性SMA絲加載，使SMA絲發生較大變形，當取下重物後，SMA絲會自動回復到其加載前的形狀。若反復重复上述過程，對超彈性狀態的SMA絲進行反復加載及卸載循環，稱為超彈性循環。典型的超彈性應力應變曲線如圖1.14所示，其應力應變曲線將形成滯迴圈，耗散機械加載的能量，因此SMA具有良好的阻尼特性。NiTi合金的比阻尼可達15%～20%，CuZnAl合金的比阻尼高達30%～85%［10］，是優秀的阻尼材料。本書第7章介紹的SMA擬橡膠金屬減振器就是利用了SMA的超彈性和大阻尼特性。
圖1.14超彈性循環下的應力應變曲線