航空发动机功能梯度形状记忆合金变形齿的热力耦合行为研究

In this project, we will focus, both theoretically and experimentally, on the transformation properties of Functionally Graded Shape Memory Alloy (FG-SMA) subjected to thermo-mechanical coupling. Finite Element (FE) simulations of a Variable Geometry Chevron (VGC) with FG-SMA as its cyclic actuator will be also presented. . We will develop an analytical model to describe the transformation mechanism of the FG-SMA composite under thermo-mechanical coupling, in which the effects of microstructures, stresses, temperatures and compositional gradation function will be considered. To fully characterize the material response as an actuator, various thermo-mechanical experiments will be performed. Our model will be verified by experimental and numerical results. The obtained constitutive model for FG-SMA materials can then be used in the finite element code to perform the numerical modeling of the jet engine chevron application, where the end goal is the accurate prediction of the VGC actuation response on the stress distribution, strain distribution, the tip deflection and the bend contour. . This project shall lay a solid theoretical foundation for future investigation of FG-SMA materials, and its applications in aerospace engineering as well.

本项目旨在从理论和实验方面对热力耦合作用下功能梯度形状记忆合金材料的相变问题进行分析，并通过有限元手段对基于功能梯度形状记忆合金驱动的航空发动机变形齿的力学行为进行讨论。主要内容包括：在复杂相变问题的基础上，对热力耦合作用下功能梯度形状记忆合金材料的相变机理进行分析，揭示材料细观结构、应力、温度、梯度分布函数等因素对材料相变的影响；结合热力学理论和细观力学原理，建立一种能准确表征材料宏观力学性能的本构模型；编制相应的计算程序进行数值模拟，并与试验测试获得的试验数据进行比较，验证本构模型的正确性；在该理论框架下对基于功能梯度形状记忆合金驱动的航空发动机变形齿进行有限元建模，对其在热力耦合作用下的应力分布、应变分布、尖端挠度和弯曲轮廓等力学行为进行仿真分析。本项目的执行可为功能梯度形状记忆合金材料的进一步研究及其在航空航天等领域的工程应用提供理论基础与技术支撑。

功能梯度形状记忆合金（FG-SMA）兼备功能梯度材料和形状记忆材料的双重特性，近年来已经引起科学界的广泛关注，若能将其作为驱动器应用于航空发动机变形齿的设计中，将会展示更加凸显的优越性。然而，到目前为止人们对该材料的本构理论研究，尤其是对如何精细刻画其相变机理和微结构演化问题还处于初步探索阶段。鉴于此，本项目分别从理论和实验方面分析了热力耦合作用下功能梯度形状记忆合金的相变问题，并通过有限元手段讨论了基于功能梯度形状记忆合金驱动的航空发动机变形齿的力学行为。主要完成的工作内容如下：给出了FG-SMA层合板在变温作用下的本构模型，讨论了不同铺层、不同含量和不同梯度分布对FG-SMA层合板力学行为的影响；给出了FG-SMA板在热力耦合作用下的本构模型，讨论了不同温度、不同应力、不同梯度分布函数对材料相变性能的影响；给出了FG-SMA层合板在温度梯度作用下的理论模型，讨论了不同温度梯度对材料的力学性能的影响；给出了具有不同梯度特性的FG-SMA筒在内压力作用下的力学模型，讨论了FG-SMA筒在内压力下的力学行为；给出了纯弯曲下具有梯度孔隙率的功能梯度多孔SMA材料的力学模型，讨论了不同弯矩下材料的相变分布和应力分布情况；结合有限元软件讨论了基于FG-SMA驱动的航空发动机变形齿在变温作用下的应力分布、应变分布和尖端挠度等力学行为。相关分析表明：较之实体SMA材料，FG-SMA材料展示了不同的力学特性，且不同的梯度分布函数对材料的力学性能具有较大的影响；较之传统的功能梯度材料，当FG-SMA发生相变后，材料的最大应力明显降低；不同铺层方式和位置、不同SMA含量以及不同梯度分布情况对航空发动机变形齿的尖端挠度均具有较大影响。本项目的成果可为功能梯度形状记忆合金材料的进一步研究及其在航空航天等领域的工程应用提供理论基础与技术支撑。