三维自适应形状记忆合金壳结构的关键力学问题研究

Adaptive structure technology, which is considered as a key technology for the next-generation aircraft, plays an important role in improving the aircraft performance.According to the speed, altitude, task or other conditions, adaptive structure can adaptively change the shape of the aircraft structure. Shape memory alloys are widely used in adaptive structures because of its excellent properties. However, most of studies on mechanical behavior of shape memory alloy are mainly limited to one or two dimensional structures, and multi-physical coupling effect is not sufficiently considered. With the application of SMA in the adaptive inlet of aircraft as the background, the study will focus on mechanical behavior of SMA under the multi-physical coupling field. The following key problems will be solved by theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigations: (1) establishment of the constitutive model of the 3-D SMA shell structure and implementation of the finite element simulation; (2) coupling analysis of temperature field, deformation and flow field with the aerodynamic heating and convectional cooling taken into consideration; (3) analysis of aeroelastic stability of the SMA shell under different temperature fields and flow fields; (4)design and implementation of the non-linear control system for SMA shell. The study will play the important role for promoting the appliaction of SMA in adaptive aerospace structures.

自适应结构技术作为未来飞行器的关键技术，对提高飞行器的性能具有重要作用。自适应结构可以根据飞行速度、高度等条件，自适应地改变飞行器气动外形。形状记忆合金(SMA)以其优异的材料特性，被广泛应用于自适应结构中。但目前大多数在SMA力学行为的研究主要局限于一维、二维结构，且多物理场作用下的力学行为研究还不够充分。本项目以SMA三维壳结构在自适应进气道上的应用为背景，对SMA壳结构在气动载荷作用下加热变形过程中的关键力学行为展开研究，通过理论分析、数值仿真和实验验证相结合的办法，着重解决以下关键问题：1）三维形状记忆合金双程效应的力学行为建模以及有限元仿真的实现；2）考虑气动加热和对流冷却的SMA温度场、流场、变形的耦合分析；3）不同温度场和流场作用下SMA三维壳结构的气动弹性稳定性分析；4）SMA自适应结构非线性控制系统的实现。展开这一探索性研究对促进SMA的自适应结构的发展具有重要的意义。

本课题以形状记忆合金在三维自适应进气道变体结构上的应用为背景，对三维形状记忆合金壳结构在热激励作用下热力学响应问题展开研究。本项目将传统的Brison一维本构模型扩展为三维模型，并结合热力学守恒定律完成三维形状记忆合金本构模型及其材料子程序的开发。同时结合形状记忆合金热力学测试实验结果对Byod-Lagoudas 三维唯象本构模型进行了拓展及修正，完善该本构模型并进行了程序化。利用ABAQUS有限元计算软件实现对形状记忆合金二维条带/三维壳结构的热力学响应问题的仿真计算，同时通过实验测试结果验证了这些本构模型实用性。为研究形状记忆合金壳多场耦合问题，本项目提出基于形状记忆合金的自适应激波控制鼓包。结合CFD及FEM方法分析了形状记忆合金壳双向记忆变形对流场的影响，并对形状记忆合金二/三维鼓包外形的优化，提升了翼型在较宽的飞行包线内的气动特性。同时本项目利用风洞试验得出低速流场对鼓包表面温度场分布的影响，并结合数值仿真方法研究了低速流场下形状记忆合金鼓包热力学响应特性，并总结出低速流场对形状记忆合金热力学响应带来的影响。本项目结合传统形状记忆合金训练工艺提出一种适用于约束边界下三维形状记忆合金结构的训练方法。利用该方法成功训练出能在-50°C至100°C范围内具有中心挠度变化1mm左右的形状记忆合金鼓包样件，并完成了对形状记忆合金鼓包在多次循环加载过程中变形稳定性进行测试和在外载荷条件下变形能力及变形响应进行测试。项目组基于STM32平台，以温度作为反馈信号，开发了一套用于形状记忆合金壳变形控制平台。该套控制平台可以长时间对形状记忆合金升温、冷却过程进行精确控制，并具备手动/自动双模式控制。本课题这些探索性研究结果对促进形状记忆合金在形状记忆合金在新型结构中的应用打下基础并提供了技术储备。