形状记忆合金的多维本构模型及大尺寸组合管道连接件的设计研究

Shape memory alloy (SMA) has a high resistance to corrosion; and its shape memory effect (SME) can produce a larger driving force, so it becomes a hot research in the field of oil and gas pipe joints. The project aims to establish a multi-dimensional mechanical model of SMA, and design the pipe joints with Fe-Si-Mn SMA and rubber pad, then development its design principles and provide a standard connector products and key technologies. The main contents include: integrate the theory of micromechanics, thermodynamics and plastic mechanics to improve the multi-dimensional constitutive model of SMA; simplify some parameters of the proposed multi-dimensional constitutive model in order to get easier and practical design model; do tensile test (force parallel to the long side direction) and shear-bending static test for SMA rectangular plate under different temperature conditions; design large diameter Fe-Si-Mn SMA-rubber combination joint, and make pull-out test and sealing performance test. This project can lay the theoretical and experimental basis for the application of SMA pipe joints, which using the combining research methods of theoretical analysis, numerical calculation and experimental verification.

形状记忆合金这种材料因为具有很高的耐腐蚀的能力，同时其形状记忆效应可以产生较大的驱动力，因此成为输油、气管道连接领域的研究热点。本项目的研究旨在建立形状记忆合金的多维力学模型，并设计铁硅锰系形状记忆合金和橡胶垫为主要材料的管道连接件，制定该智能连接件的设计原则，并提供标准连接件产品和关键技术。主要研究内容包括：综合细观力学、热动力学以及塑性力学理论，改进并建立形状记忆合金的多维应力-应变-温度本构关系模型；对所提出的多维本构关系模型中的一些参数进行必要的简化，得到更易于在实际工程中实用的设计模型；针对不同温度条件下的形状记忆合金矩形板材进行单向（力平行于长边方向）拉伸试验和弯剪静力试验；设计大直径的FeMnSi系SMA-橡胶组合连接件，并对其进行拉拔试验和密封性能试验。本课题采用理论分析、数值计算、实验验证相结合的综合研究方法，为形状记忆合金在管道连接中的应用奠定理论和实验基础

由于管道接口处的腐蚀等原因导致管道结构的泄漏事故经常发生，同时会引起火灾、爆炸等灾难性事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。针对传统管道连接方法的缺陷，可利用形状记忆合金材料的形状记忆特性，将该材料用于管道的连接领域中。为了更好地研究形状记忆合金管道连接件的工作机理，本项目对形状记忆合金材料的多维本构关系进行了深入的研究工作，同时对管接头结构进行了一系列实验研究。所建立的形状记忆合金多维驱动力学模型及其相关理论，可以减小管道结构泄漏甚至失效的风险，增加了结构的安全性与耐久性，防止重大事故的发生。本项目具体研究内容与成果如下：. 综合细观力学、热力学、热动力学、相界运动的动力学以及塑性理论，改进并建立了形状记忆合金材料的多维应力-应变-温度本构关系模型和驱动力模型；并针对该模型进行了参数分析，确定基本参数的取值范围。该模型形式相对简单，参数更易测量，能够更好地指导工程应用。. 在一定的范围内和条件下，对所提出的多维本构关系模型中的一些参数进行必要的简化，得到更易于在实际工程中使用的设计模型；同时建立包含形状记忆合金、橡胶垫环和保温层在内的管道连接件结构的有限元模型，利用现有的有限元软件ABAQUS，进行管道连接件结构的数值模拟分析。. 针对形状记忆合金管道接头的应力分布情况结合Brinson模型，推导出适用于该结构的简化计算模型。编制MATLAB执行程序，对管道接头升温变形回复，以及因为受到被连接管道约束而产生恢复力的整个过程进行数值模拟，系统地讨论形状记忆合金管道接头与被连接钢管之间的径向压应力与各影响因素之间的关系。. 设计直径分别为4cm左右的铁-锰-硅系管道连接件，实验主要测试连接件的紧固力大小，将管道接头与被连接管在万能试验机上进行拉拔试验，研究管接头的预变形量、厚度以及连接长度等与管道接头的紧固力之间的关系。