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1、第32卷第5期稀有金属2008年10月Vol.32№.5CHINESEJOURNALOFRAREMETALSOct.2008①TiNiNb形状记忆合金管接头径向压应力的模拟计算3尹向前,高宝东,米绪军(北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京100088)摘要:形状记忆合金管接头与被接管接触面上压应力研究对其工程应用具有重要价值。利用弹塑性理论对TiNiNb管接头连接过程应力进行分析,建立了力学模型,对径向压应力随温度变化情况进行了模拟计算。计算分析了管接头厚度、内径值和配合间隙对径向压应力的影响,计算分析表明
2、材料膨胀系数对紧固力有明显影响。实验测试值与该力学模型模拟计算值比较吻合,该力学模型能较好的模拟管接头的力学行为。关键词:TiNiNb管接头;径向压应力;力学模型;模拟计算中图分类号:TG139.6文献标识码:A文章编号:0258-7076(2008)05-0579-05形状记忆合金在航空航天等领域已经得到广Clapeyron方程,恢复应力是温度、应变、应力速率[1]泛的应用,采用TiNiNb形状记忆合金管接头代替等的函数,m-p传统管接头大大提高了管接头与连接管之间的紧dσΔH=≈CA(1)dTT0ε固力,具有结构简单、使用方便
3、、安全可靠等优恒约束应变时恢复应力与温度则近似成线性关点,成为航空航天管路连接系统的首选连接方[5][1]系。式。形状记忆合金管接头径向压应力的计算和评σh=σh(εc,T)=CA(T-T0(εc))(2)估是管接头设计和工程应用中面临的一大难题,利用MTS2SINTECH265PG电子数控材料试验机国内外不少单位和学者对此进行了研究[2～4]。本文测试了Ti44Ni47Ni9合金不同自由恢复率下约束恢复利用简化形状记忆合金本构方程结合弹塑性理论应力与温度变化曲线,实验结果与方程(2)相符,-1对紧固过程中系统应力场建立力学模型,
4、并对径并测得CA≈5.5MPa·℃。向压应力进行模拟计算。这对管接头在航空工业文献[6]对TiNiNb约束状态自由恢复进行了研中的应用有重要的实际工程意义。究。为了计算方便,相变区间应变恢复量和温度变化可近似成线性关系:1计算模型的建立αM(T-T0)T≤A′s利用弹塑性力学理论分析管接头和被接管系ε(T)=-β(T-A′s)A′s≤T≤A′f(3)m统中应力应变空间分布情况,结合形状记忆合金-εr+αA(T-A′f)T≥A′f约束状态下恢复力和温度的关系,建立了TiNiNbαM为马氏体态热膨胀系数,αA为奥氏体态热膨胀形状记忆合
5、金管接头安装过程中应力随温度变化mεrm系数,β=,εr为最大恢复率。的计算模型。A′f-A′s1.1形状记忆合金恢复应力模型管接头半径变化则可表示为:管接头与被接管之间的径向压应力是指由于R(T)=R(T0)(1+ε(T))(4)形状记忆合金管接头逆相变引起的形状恢复受到1.2被接管本构方程的工程简化被接管约束而在接触面上产生的径向压应力。形对于不同材料,不同应用领域,工程计算中常状记忆合金的约束恢复和恢复应力满足Clausius2采用不同的变形体模型。常用材料力学模型有:理①收稿日期:2007-11-20;修订日期:2008-
6、04-10作者简介:尹向前(1982-),男,湖南娄底人,硕士研究生;研究方向:形状记忆合金工程应用3通讯联系人(E2mail:mxj@grinm.com)580稀有金属32卷想弹塑性模型,线性强化弹塑性模型,幂强化模型σe=
7、σθ+σr
8、(9)和刚塑性力学模型。处理管路连接这类小变形问由于逆相变时管接头形状恢复受到被接管约题既需要考虑弹性变形,也需要考虑塑性变形,宜束,管接头内会产生恢复应力,恢复应力提供切线采用线性强化弹塑性模型。方向应力σθ,从而产生径向应力σr,对被接管产εe=Eε当ε≤εs生紧固力p2达到紧固的目的。(5
9、)σe=σs+E1(ε-εs)当ε≥εsσθ=σh(10)σs为应力屈服点,εs弹性应变极限值,E为弹性P1=-P2(11)模量,E1为材料塑性强化系数。产生径向压应力后,管接头内径与被接管外被接管半径随温度变化数学表达式为:径始终接触:γ(T)=r(T0)(1+αB)(T-T0)(6)Rb=Rc(12)αB为被接管材料热膨胀系数。(1)式～(12)式联立方程组即为形状记忆管接1.3系统力学状态的分析头应力随温度变化关系模型,利用Fortran语言编当圆筒的外径b与内径a之比bPa>1.2,而写成可执行程序进行模拟计算。且几何形状
10、、载荷分布对称于中心轴,轴向长度远2模拟计算和分析大于半径,可以当作平面轴对称厚壁圆筒问题来分析。利用编写的计算机程序对不同材料的被接管,[7]被接管中应力状态满足拉梅公式:不同尺寸的管接头和被接管系统进行模拟计算,22RbP2Ra分析其对管接头系
