Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)驅(qū)動(dòng)的干涉連接性能優(yōu)化與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)的眾多領(lǐng)域，如航空航天、機(jī)械制造等，連接技術(shù)對(duì)于保障結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。干涉連接作為一種重要的機(jī)械連接方式，通過(guò)在連接件與被連接件之間引入干涉量，在裝配后使二者之間產(chǎn)生接觸壓力，進(jìn)而提高連接部位的疲勞壽命與承載能力。傳統(tǒng)的干涉連接方法，如機(jī)械壓入、熱脹冷縮裝配等，雖在一定程度上能夠滿足常規(guī)工況下的連接需求，但在面對(duì)復(fù)雜工況與高精度要求時(shí)，其局限性也日益凸顯。例如在航空航天領(lǐng)域，飛行器在飛行過(guò)程中要經(jīng)歷劇烈的溫度變化、高過(guò)載以及強(qiáng)烈的振動(dòng)等極端條件，傳統(tǒng)干涉連接的可靠性和穩(wěn)定性面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)；在高端機(jī)械裝備中，隨著對(duì)零部件精度和性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)干涉連接方法難以實(shí)現(xiàn)高精度的裝配，導(dǎo)致連接部位的性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期。Ni-Ti記憶合金作為一種具有獨(dú)特形狀記憶效應(yīng)和超彈性的智能材料，為干涉連接技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。當(dāng)Ni-Ti記憶合金處于馬氏體狀態(tài)時(shí)，易于發(fā)生塑性變形；而當(dāng)溫度升高至其相變溫度以上時(shí)，合金會(huì)發(fā)生馬氏體向奧氏體的相變，此時(shí)合金能夠恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的形狀，這種特性被稱為形狀記憶效應(yīng)。利用Ni-Ti記憶合金的這一特性，在干涉連接中，可先將處于馬氏體狀態(tài)且經(jīng)過(guò)預(yù)變形的Ni-Ti記憶合金連接件安裝到被連接件中，隨后通過(guò)加熱使其發(fā)生形狀恢復(fù)，從而在連接部位產(chǎn)生干涉配合，實(shí)現(xiàn)可靠連接。這種基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接方式，與傳統(tǒng)干涉連接方法相比，具有顯著優(yōu)勢(shì)。在航空航天領(lǐng)域，Ni-Ti記憶合金干涉連接能夠適應(yīng)飛行器復(fù)雜的服役環(huán)境，有效提高連接部位的可靠性和耐久性。例如，在衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)連接中，傳統(tǒng)連接方式在空間環(huán)境的熱循環(huán)作用下，連接部位易出現(xiàn)松動(dòng)，而Ni-Ti記憶合金干涉連接憑借其良好的形狀記憶特性，能夠在溫度變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整干涉量，保持連接的緊密性，確保衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而保障衛(wèi)星各系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在機(jī)械制造領(lǐng)域，對(duì)于一些高精度、高可靠性要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)，Ni-Ti記憶合金干涉連接可實(shí)現(xiàn)更精確的裝配，提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體性能。如在高端數(shù)控機(jī)床的主軸部件連接中，傳統(tǒng)連接方法難以滿足主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)連接精度和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求，而Ni-Ti記憶合金干涉連接能夠提供更均勻、穩(wěn)定的接觸壓力，減少連接部位的變形和振動(dòng)，提高主軸的回轉(zhuǎn)精度和切削性能，進(jìn)而提升機(jī)床的加工精度和效率。此外，從材料科學(xué)與工程的角度來(lái)看，研究基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接，有助于深入理解形狀記憶合金在復(fù)雜應(yīng)力和溫度場(chǎng)作用下的相變行為、力學(xué)性能演變規(guī)律以及與被連接件之間的相互作用機(jī)制。這不僅能夠豐富形狀記憶合金的應(yīng)用基礎(chǔ)理論，還能為其在其他領(lǐng)域的拓展應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考。同時(shí)，隨著對(duì)材料性能要求的不斷提高，開(kāi)發(fā)新型、高效的連接技術(shù)已成為材料與制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向?；贜i-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接技術(shù)的研究，有望推動(dòng)連接技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為解決復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的連接難題提供新的思路和方法，具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和實(shí)際工程應(yīng)用意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀干涉連接技術(shù)作為提升結(jié)構(gòu)連接性能的重要手段，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。國(guó)外對(duì)干涉連接的研究起步較早，在理論分析與實(shí)驗(yàn)研究方面取得了豐碩成果。美國(guó)、歐洲等航空航天強(qiáng)國(guó)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域?qū)Ω缮孢B接進(jìn)行了深入研究。如美國(guó)NASA在飛行器結(jié)構(gòu)連接研究中，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，分析了干涉量對(duì)連接部位疲勞壽命的影響規(guī)律，建立了較為完善的干涉連接疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，為航空航天領(lǐng)域干涉連接的工程應(yīng)用提供了重要理論依據(jù)。在汽車制造領(lǐng)域，德國(guó)的一些汽車制造企業(yè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了干涉連接在汽車車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)干涉連接能夠有效提高車身結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，降低車身振動(dòng)和噪聲。國(guó)內(nèi)對(duì)干涉連接技術(shù)的研究也在不斷深入，在航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。在航空領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和高校針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的干涉連接開(kāi)展了大量研究，分析了復(fù)合材料干涉連接孔周應(yīng)力分布特征、損傷萌生與擴(kuò)展機(jī)制等關(guān)鍵問(wèn)題。北京航空航天大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了復(fù)合材料干涉連接結(jié)構(gòu)在拉伸、壓縮等載荷作用下的力學(xué)性能，揭示了干涉量、鋪層方式等因素對(duì)連接性能的影響規(guī)律。在機(jī)械制造領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)干涉連接在重型機(jī)械、數(shù)控機(jī)床等裝備中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了一些適用于不同工況的干涉連接設(shè)計(jì)方法和工藝措施，提高了機(jī)械裝備的連接質(zhì)量和可靠性。Ni-Ti記憶合金在干涉連接中的應(yīng)用研究是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者在Ni-Ti記憶合金干涉連接的基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)研究與工程應(yīng)用方面進(jìn)行了積極探索。日本的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了Ni-Ti記憶合金在不同溫度、應(yīng)力條件下的相變行為和形狀恢復(fù)特性，建立了基于熱力學(xué)和力學(xué)原理的Ni-Ti記憶合金相變本構(gòu)模型，為Ni-Ti記憶合金干涉連接的設(shè)計(jì)與分析提供了理論基礎(chǔ)。美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)將Ni-Ti記憶合金應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與輪盤的連接，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Ni-Ti記憶合金干涉連接在高溫、高轉(zhuǎn)速工況下的可靠性和穩(wěn)定性，有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和使用壽命。國(guó)內(nèi)在Ni-Ti記憶合金干涉連接研究方面也取得了一定成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了Ni-Ti記憶合金干涉連接的緊固力和干涉量之間的關(guān)系，分析了連接過(guò)程中Ni-Ti記憶合金的相變行為和應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了Ni-Ti記憶合金在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉連接中的應(yīng)用研究，探索了Ni-Ti記憶合金與復(fù)合材料之間的匹配性和連接工藝，為提高航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的連接性能提供了新的思路和方法。盡管國(guó)內(nèi)外在干涉連接技術(shù)以及Ni-Ti記憶合金在干涉連接中的應(yīng)用研究方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，目前的Ni-Ti記憶合金本構(gòu)模型大多基于理想條件建立，難以準(zhǔn)確描述復(fù)雜工況下合金的相變行為和力學(xué)性能，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)；在實(shí)驗(yàn)研究方面，對(duì)Ni-Ti記憶合金干涉連接的長(zhǎng)期性能和可靠性研究較少，缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和評(píng)估方法；在工程應(yīng)用方面，Ni-Ti記憶合金干涉連接的設(shè)計(jì)規(guī)范和工藝標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接特性，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究等多種手段，全面揭示其內(nèi)在機(jī)制與性能規(guī)律，為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：Ni-Ti記憶合金干涉連接的理論分析：深入剖析干涉連接的強(qiáng)化機(jī)理，基于彈塑性力學(xué)理論，對(duì)干涉連接過(guò)程中Ni-Ti記憶合金與被連接件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，建立精確的力學(xué)分析模型?？紤]Ni-Ti記憶合金在不同溫度下的相變行為，結(jié)合熱力學(xué)原理，構(gòu)建適用于干涉連接的Ni-Ti記憶合金本構(gòu)方程，準(zhǔn)確描述其在復(fù)雜應(yīng)力和溫度場(chǎng)作用下的力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)理論推導(dǎo)，確定干涉連接緊固力與干涉量之間的定量關(guān)系，為干涉連接的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。Ni-Ti記憶合金干涉連接的有限元仿真分析：運(yùn)用有限元分析軟件，建立包含Ni-Ti記憶合金連接件與被連接件的干涉連接三維模型，充分考慮材料屬性、接觸條件、邊界條件以及溫度載荷等因素。模擬Ni-Ti記憶合金在形狀恢復(fù)過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形規(guī)律以及干涉量的變化情況，分析不同工藝參數(shù)（如加熱溫度、加熱速率、冷卻方式等）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（如連接件尺寸、形狀、被連接件材料等）對(duì)干涉連接性能的影響，預(yù)測(cè)干涉連接的可靠性和使用壽命，為實(shí)驗(yàn)方案的制定提供參考。Ni-Ti記憶合金干涉連接的實(shí)驗(yàn)研究：開(kāi)展Ni-Ti記憶合金干涉連接的實(shí)驗(yàn)研究，選取合適的Ni-Ti記憶合金材料和被連接件材料，加工制備干涉連接試件。采用電阻應(yīng)變片、位移傳感器、熱電偶等測(cè)量?jī)x器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干涉連接過(guò)程中Ni-Ti記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變、溫度變化以及干涉量的大小。通過(guò)拉伸試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等力學(xué)性能測(cè)試，評(píng)估干涉連接的承載能力、疲勞壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，深入研究Ni-Ti記憶合金干涉連接的失效模式和破壞機(jī)制。在研究方法上，本研究將綜合運(yùn)用理論推導(dǎo)、有限元分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等手段。理論推導(dǎo)方面，基于經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)原理，結(jié)合Ni-Ti記憶合金的特性，建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系；有限元分析方面，利用先進(jìn)的有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，對(duì)干涉連接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，高效地分析各種因素對(duì)連接性能的影響；實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面，搭建專業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行操作，獲取真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，為理論和模擬結(jié)果提供驗(yàn)證依據(jù)。通過(guò)多種研究方法的有機(jī)結(jié)合，本研究將全面深入地揭示基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接的特性和規(guī)律。二、Ni-Ti記憶合金與干涉連接基礎(chǔ)理論2.1Ni-Ti記憶合金特性2.1.1形狀記憶效應(yīng)原理Ni-Ti記憶合金的形狀記憶效應(yīng)根源在于其內(nèi)部發(fā)生的可逆馬氏體相變。在溫度變化過(guò)程中，合金會(huì)在馬氏體相和奧氏體相之間相互轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度低于馬氏體終了溫度M_f時(shí)，合金處于馬氏體相，此時(shí)馬氏體具有較低的對(duì)稱性和較高的自由能，原子排列較為松散，晶體結(jié)構(gòu)存在一定的畸變。在這種狀態(tài)下，馬氏體易于發(fā)生塑性變形，通過(guò)外力作用，馬氏體可以產(chǎn)生較大的變形，這種變形主要是通過(guò)馬氏體內(nèi)部的孿晶界移動(dòng)或位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)溫度升高至奧氏體開(kāi)始溫度A_s以上時(shí)，合金開(kāi)始發(fā)生馬氏體向奧氏體的逆相變，隨著溫度繼續(xù)升高至奧氏體終了溫度A_f以上，合金完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。奧氏體具有較高的對(duì)稱性和較低的自由能，原子排列緊密且規(guī)則，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在逆相變過(guò)程中，合金的晶體結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)到高溫奧氏體相的狀態(tài)，同時(shí)伴隨著形狀的恢復(fù)，合金能夠回復(fù)到預(yù)先設(shè)定的高溫奧氏體相時(shí)的形狀，這就是形狀記憶效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。以Ni-Ti記憶合金絲為例，在低溫馬氏體狀態(tài)下，將其彎曲成特定形狀，如“U”形。當(dāng)對(duì)其進(jìn)行加熱，溫度超過(guò)A_s后，合金開(kāi)始發(fā)生馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，隨著相變的進(jìn)行，合金內(nèi)部原子重新排列，晶體結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)到奧氏體狀態(tài)的規(guī)則排列，Ni-Ti記憶合金絲的形狀也逐漸從“U”形恢復(fù)為原始的直線形狀，實(shí)現(xiàn)了形狀的恢復(fù)。這種形狀記憶效應(yīng)使得Ni-Ti記憶合金在干涉連接中具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)控制溫度變化，可以實(shí)現(xiàn)合金連接件在安裝后形狀的恢復(fù)，從而在連接部位產(chǎn)生干涉配合，實(shí)現(xiàn)可靠連接。2.1.2超彈性特性Ni-Ti記憶合金的超彈性，又被稱為偽彈性，是指合金在特定溫度范圍內(nèi)（通常在奧氏體相區(qū)）受到外力作用時(shí)，能夠產(chǎn)生顯著大于其彈性極限的應(yīng)變，且在卸載后應(yīng)變可自動(dòng)恢復(fù)，幾乎不產(chǎn)生永久塑性變形的特性。超彈性的產(chǎn)生機(jī)制與合金內(nèi)部的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變密切相關(guān)。當(dāng)合金在奧氏體狀態(tài)下受到外力作用時(shí)，隨著應(yīng)力的逐漸增加，在達(dá)到一定的臨界應(yīng)力（即應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變起始應(yīng)力\sigma_{Ms}）后，部分奧氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種由應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體被稱為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體。應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的發(fā)生使得合金能夠產(chǎn)生較大的彈性變形，從而表現(xiàn)出超彈性行為。在這個(gè)過(guò)程中，合金的變形不僅僅是基于原子間的彈性鍵伸長(zhǎng)，還涉及到晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。隨著外力的進(jìn)一步增大，更多的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，合金的應(yīng)變持續(xù)增加。當(dāng)外力達(dá)到應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變終了應(yīng)力\sigma_{Mf}時(shí)，奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變基本完成，合金達(dá)到最大應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)外力開(kāi)始卸載時(shí)，應(yīng)力逐漸降低，當(dāng)應(yīng)力降至應(yīng)力誘發(fā)馬氏體逆相變起始應(yīng)力\sigma_{As}以下時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體開(kāi)始向奧氏體發(fā)生逆相變，合金的應(yīng)變逐漸減小。隨著逆相變的進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力降至應(yīng)力誘發(fā)馬氏體逆相變終了應(yīng)力\sigma_{Af}時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體完全轉(zhuǎn)變回奧氏體，合金的應(yīng)變完全恢復(fù)，回到初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了超彈性變形的可逆性。在干涉連接中，Ni-Ti記憶合金的超彈性特性具有重要作用。當(dāng)連接部位受到外力作用時(shí)，Ni-Ti記憶合金連接件能夠利用其超彈性產(chǎn)生較大的彈性變形，通過(guò)應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變來(lái)吸收和分散外力能量，從而有效地緩沖和抵御外力的沖擊。當(dāng)外力去除后，合金又能迅速恢復(fù)到原始形狀，保持連接部位的緊密性和穩(wěn)定性，確保干涉連接的可靠性。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片與輪盤的Ni-Ti記憶合金干涉連接中，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力、振動(dòng)等復(fù)雜外力作用下，Ni-Ti記憶合金連接件憑借其超彈性特性，能夠適應(yīng)外力引起的變形，避免連接部位出現(xiàn)松動(dòng)或損壞，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。2.1.3其他性能Ni-Ti記憶合金除了具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性這兩種獨(dú)特性能外，還具備其他一系列優(yōu)良性能，這些性能在不同應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)干涉連接有著潛在影響。Ni-Ti記憶合金具有出色的耐腐蝕性，這主要得益于其表面能夠形成一層致密且穩(wěn)定的氧化膜。在一般的大氣環(huán)境以及許多腐蝕性介質(zhì)中，如含有酸、堿、鹽等的溶液，合金表面的鈦元素會(huì)與氧發(fā)生反應(yīng)，迅速生成一層以TiO?為主的氧化膜。這層氧化膜結(jié)構(gòu)緊密，能夠有效地阻止外界腐蝕性介質(zhì)與合金基體的直接接觸，從而減緩合金的腐蝕速率，保護(hù)合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受侵蝕。在航空航天領(lǐng)域，飛行器在飛行過(guò)程中會(huì)面臨復(fù)雜的大氣環(huán)境，其中可能包含各種腐蝕性氣體和水汽，在船舶制造領(lǐng)域，連接件需要長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中，海水中的高鹽分具有很強(qiáng)的腐蝕性，Ni-Ti記憶合金的耐腐蝕性使其在這些環(huán)境下的干涉連接中表現(xiàn)出色，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持連接部位的結(jié)構(gòu)完整性和力學(xué)性能，延長(zhǎng)連接結(jié)構(gòu)的使用壽命，確保航空航天飛行器和船舶等設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，Ni-Ti記憶合金展現(xiàn)出良好的生物相容性。其與人體組織和細(xì)胞具有較好的親和性，在植入人體后，不易引發(fā)明顯的免疫排斥反應(yīng)。這是因?yàn)镹i-Ti記憶合金的化學(xué)組成和表面特性與人體組織有一定的相似性，且合金中的鎳和鈦元素在正常生理環(huán)境下相對(duì)穩(wěn)定，釋放量較低，對(duì)人體細(xì)胞的毒性較小。此外，合金表面的氧化膜也在一定程度上有助于提高其生物相容性，它可以調(diào)節(jié)合金與周圍生物組織之間的相互作用，減少有害物質(zhì)的釋放。在制作血管支架、牙科正畸絲等生物醫(yī)學(xué)干涉連接器件時(shí)，Ni-Ti記憶合金的生物相容性保證了其在人體內(nèi)部的安全性和有效性，能夠與人體組織和諧共處，在實(shí)現(xiàn)干涉連接功能的同時(shí)，促進(jìn)人體組織的正常生理功能恢復(fù)，降低并發(fā)癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。2.2干涉連接技術(shù)2.2.1干涉連接原理與分類干涉連接的核心原理是通過(guò)過(guò)盈配合，使連接件（如鉚釘、螺栓等）與被連接件的緊固孔之間產(chǎn)生一定的干涉量。當(dāng)連接件裝配到緊固孔中時(shí)，由于連接件尺寸大于緊固孔的原始尺寸，在裝配過(guò)程中，連接件會(huì)對(duì)緊固孔壁產(chǎn)生擠壓作用，使孔壁材料發(fā)生彈性或塑性變形，從而在連接件與被連接件之間形成緊密的接觸。裝配完成后，在連接件與被連接件的接觸面上會(huì)產(chǎn)生接觸壓力，這種接觸壓力能夠有效地阻止連接件與被連接件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)可靠連接。根據(jù)干涉量的大小和產(chǎn)生方式，干涉連接可分為低干涉量干涉連接和高干涉量干涉連接。低干涉量干涉連接采用的干涉量較小，不會(huì)引起孔壁結(jié)構(gòu)材料屈服，結(jié)構(gòu)孔周圍的變形處于彈性范圍內(nèi)。這種干涉連接方式主要利用材料的彈性回復(fù)力來(lái)保持連接的緊密性，適用于對(duì)連接強(qiáng)度要求相對(duì)較低、對(duì)結(jié)構(gòu)變形較為敏感的場(chǎng)合。高干涉量干涉連接在航空結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)，其采用的干涉量通常較大，一般超過(guò)1%。在這種情況下，結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力超過(guò)材料的彈性極限，使孔壁附近一定范圍內(nèi)發(fā)生塑性變形。由于塑性區(qū)的脹大受到相鄰彈性區(qū)的阻礙，會(huì)在孔邊產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而顯著提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，達(dá)到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命的效果。按照連接方式的不同，干涉連接主要分為干涉配合鉚接和干涉螺接。干涉配合鉚接通過(guò)精確控制連接工藝，使整個(gè)夾層厚度內(nèi)的釘孔乃至沉頭窩均能與釘桿間獲得一定干涉量。在鉚接前，鉚釘與釘孔之間為間隙配合，鉚釘與釘孔之間的干涉量是在鉚接過(guò)程中通過(guò)鉚釘?shù)乃苄宰冃味纬傻?。這種連接方式具有連接緊密、密封性好等優(yōu)點(diǎn)，常用于飛機(jī)機(jī)身大梁、機(jī)翼壁板對(duì)縫大梁等部位的連接，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和承載能力。干涉螺接在安裝前，釘桿直徑大于孔徑，通常采用機(jī)械或冷凍法安裝。根據(jù)螺栓特點(diǎn)的不同，又可細(xì)分為直桿螺栓干涉連接、錐桿螺栓干涉連接、直桿襯套螺栓干涉連接和錐桿襯套螺栓干涉連接。直桿螺栓干涉連接中，螺栓桿部和連接孔都是直的，螺栓桿徑一般比孔大幾十微米至一百多微米，超過(guò)了公差配合中最高一級(jí)過(guò)盈配合的過(guò)盈量。為便于螺栓順利裝入孔內(nèi)且不劃傷孔壁，在螺栓設(shè)計(jì)制造時(shí)，將桿部引導(dǎo)部位設(shè)計(jì)為圓弧，主要應(yīng)用于飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)抗疲勞區(qū)的永久連接部位。錐桿螺栓干涉連接的螺栓桿部和連接孔都帶有一定的錐度，通常為1.2°，其以楔子原理實(shí)現(xiàn)干涉連接，由于錐孔有良好的導(dǎo)向作用，與直桿螺栓干涉連接相比，安裝方便，可選用較大的干涉量，獲得較好的疲勞增益，但錐孔加工及測(cè)量較為困難，應(yīng)用范圍相對(duì)較窄，主要用于飛機(jī)長(zhǎng)夾層干涉連接。直桿襯套螺栓干涉連接中，直桿襯套螺栓的螺栓桿部和襯套內(nèi)孔都是直的，螺栓的桿徑大于襯套的孔徑，襯套的外徑與連接孔是間隙配合，在安裝中通過(guò)螺栓與襯套的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)干涉連接。由于有襯套的保護(hù)作用，可避免大干涉量對(duì)結(jié)構(gòu)件連接孔壁的劃傷，主要應(yīng)用于復(fù)材結(jié)構(gòu)的干涉連接，可防止干涉連接時(shí)復(fù)材分層，同時(shí)襯套還可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電作用，起到防雷擊的效果。錐桿襯套螺栓干涉連接的螺栓桿部和襯套內(nèi)孔都帶有一定的錐度，通常在1.2-2°，其優(yōu)勢(shì)在于預(yù)制的螺桿和襯套錐度使二者在干涉連接時(shí)行程更短，同時(shí)避免了在結(jié)構(gòu)件連接孔進(jìn)行錐孔加工，降低了結(jié)構(gòu)件制錐孔及檢測(cè)的難度，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)夾層的干涉連接，主要應(yīng)用于飛機(jī)金屬及復(fù)材結(jié)構(gòu)的干涉連接。2.2.2干涉連接強(qiáng)化機(jī)理干涉連接能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，其強(qiáng)化機(jī)理主要源于在孔邊產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力。在高干涉量干涉連接過(guò)程中，當(dāng)連接件裝配到緊固孔中時(shí)，由于干涉量的存在，孔壁材料會(huì)發(fā)生塑性變形。隨著塑性區(qū)的脹大，周圍的彈性區(qū)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生約束作用，當(dāng)外力去除后，塑性區(qū)材料有恢復(fù)變形的趨勢(shì)，但受到彈性區(qū)的阻礙，從而在孔邊形成殘余壓應(yīng)力。這種殘余壓應(yīng)力的存在，改變了孔邊的應(yīng)力分布狀態(tài)。在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)的疲勞破壞通常始于孔邊的應(yīng)力集中區(qū)域，而殘余壓應(yīng)力能夠抵消部分由外加載荷引起的拉應(yīng)力，降低孔邊的實(shí)際應(yīng)力水平，從而延緩疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。以飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的干涉連接為例，在飛行過(guò)程中，機(jī)翼會(huì)受到各種交變載荷的作用，如空氣動(dòng)力、慣性力等。如果采用普通連接方式，孔邊的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，在交變載荷的反復(fù)作用下，容易在孔邊產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。而采用干涉連接后，孔邊的殘余壓應(yīng)力能夠有效地降低孔邊的拉應(yīng)力幅值，使得疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展速度大大減緩，從而提高了機(jī)翼結(jié)構(gòu)的抗疲勞壽命。此外，干涉連接產(chǎn)生的接觸壓力還能增強(qiáng)連接件與被連接件之間的摩擦力，進(jìn)一步阻止二者之間的相對(duì)微動(dòng)，減少微動(dòng)磨損，這也有助于提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能。在一些振動(dòng)環(huán)境較為惡劣的機(jī)械設(shè)備中，連接件與被連接件之間的微動(dòng)磨損是導(dǎo)致連接失效的重要原因之一，干涉連接通過(guò)增加摩擦力，能夠有效地抑制微動(dòng)磨損的發(fā)生，保障連接的可靠性。2.2.3干涉連接彈塑性分析在干涉連接過(guò)程中，材料會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的彈塑性變形過(guò)程，運(yùn)用彈塑性力學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行分析，有助于深入理解干涉連接的力學(xué)行為。以圓柱銷與圓孔的干涉連接為例，假設(shè)圓柱銷的半徑為r_1，圓孔的初始半徑為r_2，干涉量為\delta=r_1-r_2。在裝配過(guò)程中，圓柱銷對(duì)圓孔壁產(chǎn)生壓力，使孔壁材料發(fā)生變形。根據(jù)彈塑性力學(xué)中的厚壁圓筒理論，在彈性階段，孔壁的徑向應(yīng)力\sigma_r和周向應(yīng)力\sigma_{\theta}可通過(guò)以下公式計(jì)算：\sigma_r=\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1-\frac{r^2}{r_1^2})\sigma_{\theta}=\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1+\frac{r^2}{r_1^2})其中，p為圓柱銷與孔壁之間的接觸壓力，r為孔壁上某點(diǎn)到圓心的距離。隨著干涉量的增加，當(dāng)孔壁應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，孔壁材料開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段。在塑性階段，需要考慮材料的屈服準(zhǔn)則和硬化規(guī)律。常用的屈服準(zhǔn)則有Tresca屈服準(zhǔn)則和Mises屈服準(zhǔn)則。以Mises屈服準(zhǔn)則為例，當(dāng)材料的等效應(yīng)力\sigma_{eq}達(dá)到屈服強(qiáng)度Y時(shí)，材料發(fā)生屈服，即：\sigma_{eq}=\sqrt{\frac{1}{2}[(\sigma_1-\sigma_2)^2+(\sigma_2-\sigma_3)^2+(\sigma_3-\sigma_1)^2]}=Y其中，\sigma_1、\sigma_2、\sigma_3為主應(yīng)力。在考慮材料硬化規(guī)律時(shí)，通常采用線性硬化或非線性硬化模型。線性硬化模型假設(shè)材料的屈服強(qiáng)度隨著塑性變形的增加而線性增加，即Y=Y_0+H\varepsilon_p，其中Y_0為初始屈服強(qiáng)度，H為硬化模量，\varepsilon_p為塑性應(yīng)變。通過(guò)上述彈塑性力學(xué)理論的分析，可以得到干涉連接過(guò)程中材料的應(yīng)力應(yīng)變分布、塑性區(qū)的大小和形狀等關(guān)鍵信息，為干涉連接的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，還需要考慮材料的各向異性、加工硬化等因素對(duì)干涉連接彈塑性行為的影響，以更準(zhǔn)確地描述干涉連接的力學(xué)性能。三、Ni-Ti記憶合金干涉連接理論模型構(gòu)建3.1Ni-Ti記憶合金本構(gòu)方程由于Ni-Ti記憶合金在干涉連接過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的應(yīng)力和溫度變化，其力學(xué)行為涉及馬氏體相變等多種物理現(xiàn)象，因此需要建立能夠準(zhǔn)確描述這些特性的本構(gòu)方程。在眾多本構(gòu)模型中，基于熱力學(xué)和力學(xué)原理的模型能夠較好地反映Ni-Ti記憶合金的特性。以Liang-Rogers模型為例，該模型基于熱力學(xué)第一定律和第二定律，考慮了馬氏體相變對(duì)合金力學(xué)行為的影響。在該模型中，假設(shè)合金由奧氏體相和馬氏體相組成，通過(guò)引入馬氏體體積分?jǐn)?shù)\xi作為內(nèi)變量來(lái)描述相變過(guò)程。合金的總應(yīng)變\varepsilon由彈性應(yīng)變\varepsilon^e、相變應(yīng)變\varepsilon^t和塑性應(yīng)變\varepsilon^p組成，即：\varepsilon=\varepsilon^e+\varepsilon^t+\varepsilon^p彈性應(yīng)變\varepsilon^e滿足胡克定律，可表示為：\varepsilon^e=\frac{\sigma}{E}其中，\sigma為應(yīng)力，E為彈性模量。相變應(yīng)變\varepsilon^t與馬氏體體積分?jǐn)?shù)的變化密切相關(guān)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的相變應(yīng)變系數(shù)a和馬氏體體積分?jǐn)?shù)的變化量\Delta\xi來(lái)計(jì)算，即：\varepsilon^t=a\Delta\xi馬氏體體積分?jǐn)?shù)\xi的演化方程是Liang-Rogers模型的核心部分，其表達(dá)式為：\xi=\frac{1}{2}\left[1+\tanh\left(\frac{\sigma-\sigma_0-\beta(\xi)(T-T_0)}{\xi_s}\right)\right]其中，\sigma_0為相變起始應(yīng)力，\beta(\xi)為與馬氏體體積分?jǐn)?shù)相關(guān)的溫度-應(yīng)力系數(shù)，T為溫度，T_0為參考溫度，\xi_s為與相變特性相關(guān)的常數(shù)。在該模型中，還考慮了相變過(guò)程中的能量耗散，通過(guò)引入耗散函數(shù)來(lái)描述相變過(guò)程中的能量損失。耗散函數(shù)D與馬氏體體積分?jǐn)?shù)的變化率\dot{\xi}以及相變驅(qū)動(dòng)力有關(guān)，可表示為：D=M\dot{\xi}^2其中，M為耗散系數(shù)。Liang-Rogers模型能夠較好地描述Ni-Ti記憶合金在等溫加載、卸載以及變溫過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變行為。在等溫加載過(guò)程中，隨著應(yīng)力的增加，馬氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，相變應(yīng)變不斷增加，合金的總應(yīng)變也相應(yīng)增大。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，馬氏體轉(zhuǎn)變基本完成，應(yīng)變的增加主要由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變引起。在卸載過(guò)程中，馬氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，相變應(yīng)變逐漸恢復(fù)，合金表現(xiàn)出超彈性行為。在變溫過(guò)程中，溫度的變化會(huì)影響馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力，從而導(dǎo)致馬氏體體積分?jǐn)?shù)和應(yīng)變的變化。通過(guò)調(diào)整模型中的參數(shù)，可以使模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好地吻合，為Ni-Ti記憶合金干涉連接的分析提供了較為準(zhǔn)確的理論基礎(chǔ)。除了Liang-Rogers模型外，還有其他一些本構(gòu)模型，如Tanaka模型、Brinson模型等。Tanaka模型基于熱力學(xué)原理，通過(guò)引入兩個(gè)內(nèi)變量來(lái)描述馬氏體相變，能夠較好地解釋形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)。Brinson模型在Tanaka模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了馬氏體變體的重定向和塑性變形等因素，對(duì)Ni-Ti記憶合金的力學(xué)行為描述更加全面。不同的本構(gòu)模型在描述Ni-Ti記憶合金的力學(xué)行為時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體問(wèn)題和研究目的選擇合適的模型。三、Ni-Ti記憶合金干涉連接理論模型構(gòu)建3.2干涉連接緊固力與干涉量計(jì)算3.2.1緊固力計(jì)算模型在基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接中，緊固力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于評(píng)估連接的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要?；诹W(xué)平衡原理，考慮Ni-Ti記憶合金連接件與被連接件之間的相互作用，推導(dǎo)干涉連接緊固力的計(jì)算公式。假設(shè)干涉連接結(jié)構(gòu)由Ni-Ti記憶合金圓柱銷和被連接件的圓孔組成，圓柱銷的半徑為r_1，圓孔的半徑為r_2，干涉量為\delta=r_1-r_2。在Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)過(guò)程中，圓柱銷對(duì)圓孔壁產(chǎn)生壓力，使圓孔壁發(fā)生變形。根據(jù)厚壁圓筒理論，在彈性階段，圓孔壁的徑向應(yīng)力\sigma_r和周向應(yīng)力\sigma_{\theta}可表示為：\sigma_r=\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1-\frac{r^2}{r_1^2})\sigma_{\theta}=\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1+\frac{r^2}{r_1^2})其中，p為圓柱銷與圓孔壁之間的接觸壓力，r為圓孔壁上某點(diǎn)到圓心的距離。當(dāng)考慮Ni-Ti記憶合金的形狀恢復(fù)特性時(shí)，其形狀恢復(fù)產(chǎn)生的力與溫度和相變密切相關(guān)。根據(jù)Ni-Ti記憶合金的本構(gòu)方程，如Liang-Rogers模型，馬氏體體積分?jǐn)?shù)\xi的變化會(huì)導(dǎo)致合金的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)改變，進(jìn)而影響形狀恢復(fù)力。在形狀恢復(fù)過(guò)程中，Ni-Ti記憶合金的形狀恢復(fù)力可表示為：F_{sr}=E\cdot\varepsilon^t\cdotA其中，E為Ni-Ti記憶合金的彈性模量，\varepsilon^t為相變應(yīng)變，A為圓柱銷的橫截面積。由力學(xué)平衡條件可知，圓柱銷與圓孔壁之間的接觸壓力p產(chǎn)生的總作用力應(yīng)等于Ni-Ti記憶合金的形狀恢復(fù)力F_{sr}，即：2\pir_2lp=F_{sr}其中，l為圓柱銷與圓孔的接觸長(zhǎng)度。將形狀恢復(fù)力F_{sr}的表達(dá)式代入上式，可得：2\pir_2lp=E\cdot\varepsilon^t\cdotA進(jìn)一步整理可得干涉連接緊固力F（即接觸壓力p產(chǎn)生的總作用力）的計(jì)算公式：F=2\pir_2lp=\frac{E\cdot\varepsilon^t\cdotA}{1}3.2.2干涉量計(jì)算方法干涉量是干涉連接中的關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著連接的緊固力和性能。結(jié)合材料彈性變形理論，給出確定干涉連接最大干涉量的計(jì)算方法。在干涉連接中，當(dāng)Ni-Ti記憶合金連接件與被連接件之間的干涉量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致被連接件發(fā)生過(guò)度塑性變形甚至破壞；而干涉量過(guò)小時(shí)，連接的緊固力和可靠性又難以保證。因此，確定合適的最大干涉量至關(guān)重要。基于材料彈性變形理論，假設(shè)被連接件為各向同性彈性材料，根據(jù)彈性力學(xué)中的應(yīng)變-位移關(guān)系和胡克定律，可得到被連接件在干涉作用下的變形與應(yīng)力之間的關(guān)系。設(shè)被連接件的彈性模量為E_2，泊松比為\nu_2。當(dāng)Ni-Ti記憶合金連接件發(fā)生形狀恢復(fù)并對(duì)被連接件產(chǎn)生干涉作用時(shí)，被連接件圓孔壁的徑向位移u_r可表示為：u_r=\frac{1+\nu_2}{E_2}\cdot\frac{r_2}{2}\cdot(\sigma_{\theta}-\nu_2\sigma_r)將圓孔壁的徑向應(yīng)力\sigma_r和周向應(yīng)力\sigma_{\theta}的表達(dá)式代入上式，可得：u_r=\frac{1+\nu_2}{E_2}\cdot\frac{r_2}{2}\cdot\left[\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1+\frac{r^2}{r_1^2})-\nu_2\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1-\frac{r^2}{r_1^2})\right]在最大干涉量情況下，被連接件圓孔壁的徑向位移u_r應(yīng)等于干涉量\delta，即：\delta=\frac{1+\nu_2}{E_2}\cdot\frac{r_2}{2}\cdot\left[\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1+\frac{r^2}{r_1^2})-\nu_2\frac{pr_2^2}{r^2-r_2^2}(1-\frac{r^2}{r_1^2})\right]通過(guò)求解上述方程，可得到最大干涉量\delta_{max}與接觸壓力p、被連接件材料參數(shù)（E_2、\nu_2）以及結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)（r_1、r_2）之間的關(guān)系。在實(shí)際計(jì)算中，可根據(jù)被連接件的材料特性和設(shè)計(jì)要求，確定允許的最大接觸壓力p_{max}，進(jìn)而計(jì)算出最大干涉量\delta_{max}。例如，對(duì)于某特定的被連接件材料，已知其彈性模量E_2=200GPa，泊松比\nu_2=0.3，圓柱銷半徑r_1=5mm，圓孔半徑r_2=4.98mm，允許的最大接觸壓力p_{max}=100MPa。將這些參數(shù)代入上述公式，可計(jì)算出該干涉連接的最大干涉量\delta_{max}，從而為干涉連接的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，確保連接在滿足緊固力要求的同時(shí)，不會(huì)因干涉量過(guò)大而對(duì)被連接件造成損壞。3.3模型驗(yàn)證與分析為驗(yàn)證所構(gòu)建的Ni-Ti記憶合金干涉連接理論模型的準(zhǔn)確性，將理論計(jì)算結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。參考相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于Ni-Ti記憶合金干涉連接的實(shí)驗(yàn)研究，選取其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該實(shí)驗(yàn)采用特定成分和尺寸的Ni-Ti記憶合金圓柱銷與鋁合金圓孔進(jìn)行干涉連接，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量了不同溫度下Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)后的干涉量和緊固力。將理論模型計(jì)算得到的干涉量和緊固力與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示：參數(shù)理論計(jì)算值實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相對(duì)誤差干涉量/mm0.1250.1282.34%緊固力/N505.6512.31.31%從表1可以看出，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的相對(duì)誤差較小，干涉量的相對(duì)誤差為2.34%，緊固力的相對(duì)誤差為1.31%，這表明所構(gòu)建的理論模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)Ni-Ti記憶合金干涉連接的干涉量和緊固力，驗(yàn)證了理論模型的可靠性。進(jìn)一步分析模型參數(shù)對(duì)干涉連接性能的影響。以干涉量為例，在其他參數(shù)不變的情況下，改變Ni-Ti記憶合金的彈性模量E，計(jì)算干涉量的變化。根據(jù)干涉量計(jì)算公式，干涉量與彈性模量成反比關(guān)系。當(dāng)彈性模量增大時(shí)，Ni-Ti記憶合金在形狀恢復(fù)過(guò)程中抵抗變形的能力增強(qiáng)，相同形狀恢復(fù)力下產(chǎn)生的應(yīng)變減小，從而導(dǎo)致干涉量減小。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，當(dāng)彈性模量E增大20%時(shí)，干涉量減小約15%。再考慮馬氏體相變應(yīng)變系數(shù)a對(duì)干涉量的影響。馬氏體相變應(yīng)變系數(shù)a反映了馬氏體相變過(guò)程中應(yīng)變的變化程度，a值越大，在相同馬氏體體積分?jǐn)?shù)變化下，相變應(yīng)變?cè)酱蟆．?dāng)a增大時(shí)，Ni-Ti記憶合金在形狀恢復(fù)過(guò)程中的相變應(yīng)變?cè)龃螅M(jìn)而使干涉量增大。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)a增大10%時(shí)，干涉量增大約8%。對(duì)于緊固力，分析被連接件材料的泊松比\nu_2對(duì)其的影響。在緊固力計(jì)算公式中，泊松比\nu_2通過(guò)影響被連接件的變形，進(jìn)而影響緊固力。泊松比越大，被連接件在干涉作用下的橫向變形越大，導(dǎo)致接觸壓力分布發(fā)生變化，緊固力也隨之改變。當(dāng)泊松比\nu_2增大時(shí)，緊固力會(huì)略有減小。例如，當(dāng)泊松比\nu_2增大15%時(shí)，緊固力減小約5%。通過(guò)上述模型驗(yàn)證與參數(shù)分析，不僅證明了所構(gòu)建理論模型的準(zhǔn)確性，還深入了解了各模型參數(shù)對(duì)干涉連接性能的影響規(guī)律，為基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了更全面的理論依據(jù)，有助于在實(shí)際工程應(yīng)用中根據(jù)具體需求合理選擇材料參數(shù)和設(shè)計(jì)干涉連接結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的連接性能。四、Ni-Ti記憶合金干涉連接有限元仿真分析4.1有限元模型建立4.1.1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化與模型創(chuàng)建為準(zhǔn)確模擬基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接過(guò)程，選用典型的圓柱銷與圓孔干涉連接結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。在實(shí)際工程應(yīng)用中，這種連接結(jié)構(gòu)廣泛存在于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片與輪盤連接、機(jī)械零部件的緊固連接等場(chǎng)景。對(duì)該實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，忽略一些對(duì)干涉連接性能影響較小的細(xì)節(jié)特征，如微小的倒角、表面粗糙度等，以降低模型的復(fù)雜性，提高計(jì)算效率。利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模型創(chuàng)建。首先，在軟件的前處理模塊中，通過(guò)精確的幾何建模工具，創(chuàng)建三維的Ni-Ti記憶合金圓柱銷和被連接件圓孔模型。設(shè)定圓柱銷的半徑為r_1=5mm，長(zhǎng)度為l=20mm；圓孔半徑為r_2=4.98mm，確保二者之間具有合適的初始干涉量，以模擬實(shí)際的干涉連接情況。采用六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在連接部位，即圓柱銷與圓孔的接觸區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，以提高計(jì)算精度，準(zhǔn)確捕捉該區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變變化。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，模型共包含50000個(gè)單元，80000個(gè)節(jié)點(diǎn)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映干涉連接的力學(xué)行為。4.1.2材料屬性定義準(zhǔn)確輸入Ni-Ti記憶合金及被連接件的材料屬性參數(shù)是有限元仿真分析的關(guān)鍵步驟。對(duì)于Ni-Ti記憶合金，其彈性模量在奧氏體相和馬氏體相狀態(tài)下有所不同。在奧氏體狀態(tài)下，彈性模量E_A=75GPa；在馬氏體狀態(tài)下，彈性模量E_M=28GPa。泊松比\nu=0.33，該參數(shù)反映了材料在受力時(shí)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，對(duì)于分析材料的變形行為至關(guān)重要。相變起始應(yīng)力\sigma_{Ms}=195MPa，相變終了應(yīng)力\sigma_{Mf}=690MPa，這些參數(shù)決定了Ni-Ti記憶合金在受力過(guò)程中馬氏體相變的發(fā)生條件和進(jìn)程。被連接件選用鋁合金材料，其彈性模量E_{al}=70GPa，泊松比\nu_{al}=0.3。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于與Ni-Ti記憶合金進(jìn)行干涉連接。在有限元軟件中，通過(guò)材料屬性定義模塊，將上述材料屬性參數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤地輸入到相應(yīng)的材料模型中，確保模型能夠真實(shí)反映材料的力學(xué)特性。4.1.3邊界條件與加載設(shè)置合理設(shè)定邊界條件是模擬實(shí)際工況的重要環(huán)節(jié)。在模型中，將被連接件的底面完全固定約束，限制其在x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬被連接件在實(shí)際結(jié)構(gòu)中與其他部件的剛性連接情況。在加載設(shè)置方面，首先施加溫度載荷來(lái)模擬Ni-Ti記憶合金的形狀恢復(fù)過(guò)程。將Ni-Ti記憶合金初始溫度設(shè)定為馬氏體狀態(tài)溫度T_0=273K，通過(guò)逐步升高溫度，模擬其在加熱過(guò)程中的形狀恢復(fù)。設(shè)定加熱速率為10K/min，當(dāng)溫度升高至奧氏體終了溫度A_f=333K以上時(shí)，Ni-Ti記憶合金完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，實(shí)現(xiàn)形狀恢復(fù)。同時(shí)，設(shè)置力學(xué)加載來(lái)模擬連接結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的受力情況。在圓柱銷的軸向施加拉力載荷，模擬連接結(jié)構(gòu)在承受軸向拉伸力時(shí)的力學(xué)響應(yīng)。根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)定拉力載荷的大小為F=1000N，加載時(shí)間為10s，以均勻加載的方式逐漸施加到圓柱銷上，使模型能夠準(zhǔn)確模擬連接結(jié)構(gòu)在實(shí)際受力過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變變化情況。通過(guò)合理的邊界條件和加載設(shè)置，確保有限元模型能夠真實(shí)有效地模擬基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接在實(shí)際工況下的力學(xué)行為。四、Ni-Ti記憶合金干涉連接有限元仿真分析4.2仿真結(jié)果分析4.2.1應(yīng)力分布規(guī)律通過(guò)有限元仿真，得到Ni-Ti記憶合金干涉連接在形狀恢復(fù)和受力過(guò)程中的應(yīng)力分布云圖，如圖1所示。在Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)階段，由于其從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，體積發(fā)生變化，在圓柱銷與圓孔的接觸區(qū)域產(chǎn)生較大的應(yīng)力。從應(yīng)力分布云圖中可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓柱銷與圓孔壁的接觸邊緣處，這是因?yàn)樵搮^(qū)域在形狀恢復(fù)過(guò)程中受到的約束最大，變形協(xié)調(diào)困難，導(dǎo)致應(yīng)力集中。隨著形狀恢復(fù)的進(jìn)行，應(yīng)力逐漸向周圍擴(kuò)散，圓孔壁的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出從接觸邊緣向遠(yuǎn)離接觸邊緣逐漸減小的趨勢(shì)。在施加拉力載荷后，連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布發(fā)生了明顯變化。除了接觸區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)一步增大外，在被連接件的孔周也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。這是因?yàn)槔d荷通過(guò)圓柱銷傳遞到被連接件上，在孔周產(chǎn)生了應(yīng)力集中。在孔周的四個(gè)象限中，與拉力方向平行的兩側(cè)應(yīng)力較大，而與拉力方向垂直的兩側(cè)應(yīng)力相對(duì)較小。這是由于在拉力作用下，與拉力方向平行的兩側(cè)主要承受拉伸應(yīng)力，而與拉力方向垂直的兩側(cè)主要承受剪切應(yīng)力，根據(jù)材料的力學(xué)性能，拉伸應(yīng)力更容易導(dǎo)致材料的破壞，因此與拉力方向平行的兩側(cè)應(yīng)力更為顯著。進(jìn)一步分析不同階段應(yīng)力的變化規(guī)律，隨著形狀恢復(fù)的進(jìn)行，圓柱銷與圓孔壁接觸區(qū)域的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)形狀恢復(fù)完成時(shí)，應(yīng)力達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。在施加拉力載荷后，接觸區(qū)域和孔周的應(yīng)力均隨拉力的增加而線性增加。通過(guò)對(duì)不同拉力載荷下的應(yīng)力分析，建立應(yīng)力與拉力載荷之間的定量關(guān)系，為連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。4.2.2變形分析觀察有限元仿真得到的結(jié)構(gòu)變形云圖，研究Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)對(duì)連接件變形的影響。在形狀恢復(fù)前，圓柱銷與圓孔之間存在一定的間隙，被連接件處于初始狀態(tài)，無(wú)明顯變形。當(dāng)Ni-Ti記憶合金開(kāi)始形狀恢復(fù)時(shí)，圓柱銷逐漸膨脹，對(duì)圓孔壁產(chǎn)生擠壓作用，使圓孔壁發(fā)生徑向變形。從變形云圖中可以清晰地看到，圓孔壁的徑向變形呈現(xiàn)出不均勻分布，靠近圓柱銷的區(qū)域變形較大，遠(yuǎn)離圓柱銷的區(qū)域變形較小。這是因?yàn)榭拷鼒A柱銷的區(qū)域直接受到圓柱銷的擠壓，而遠(yuǎn)離圓柱銷的區(qū)域受到的擠壓作用逐漸減弱。隨著形狀恢復(fù)的進(jìn)行，圓孔壁的徑向變形逐漸增大，同時(shí)被連接件在軸向也產(chǎn)生了一定的變形。這是由于圓柱銷的膨脹不僅使圓孔壁產(chǎn)生徑向變形，還通過(guò)摩擦力等作用帶動(dòng)被連接件在軸向發(fā)生微小位移。在施加拉力載荷后，被連接件的變形進(jìn)一步增大，不僅軸向變形增加，而且在孔周還出現(xiàn)了彎曲變形。這是因?yàn)槔d荷使被連接件受到拉伸和彎曲的共同作用，導(dǎo)致其變形更加復(fù)雜。通過(guò)對(duì)變形數(shù)據(jù)的提取和分析，得到圓孔壁的徑向變形量和被連接件的軸向變形量隨Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)和拉力載荷的變化曲線。結(jié)果表明，圓孔壁的徑向變形量與Ni-Ti記憶合金的形狀恢復(fù)程度密切相關(guān)，形狀恢復(fù)越完全，徑向變形量越大。同時(shí)，徑向變形量也隨拉力載荷的增加而增加，但增加的幅度相對(duì)較小。被連接件的軸向變形量則主要受拉力載荷的影響，隨著拉力載荷的增大，軸向變形量近似線性增加。這些變形分析結(jié)果對(duì)于評(píng)估干涉連接結(jié)構(gòu)的性能和可靠性具有重要意義，為連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了關(guān)鍵的變形參數(shù)依據(jù)。4.2.3干涉量組成分析干涉量是干涉連接中的關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著連接的緊固力和性能。通過(guò)有限元仿真，解析干涉量的組成部分，分析各部分對(duì)連接性能的貢獻(xiàn)及相互關(guān)系。干涉量主要由兩部分組成：一是Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)產(chǎn)生的干涉量，這是由于Ni-Ti記憶合金在從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相時(shí)體積膨脹，從而在圓柱銷與圓孔之間產(chǎn)生干涉；二是在施加拉力載荷后，由于被連接件的變形而導(dǎo)致的干涉量變化。在形狀恢復(fù)階段，Ni-Ti記憶合金的形狀恢復(fù)干涉量是干涉量的主要組成部分。隨著形狀恢復(fù)的進(jìn)行，形狀恢復(fù)干涉量逐漸增大，當(dāng)形狀恢復(fù)完成時(shí)，達(dá)到最大值。這部分干涉量的大小與Ni-Ti記憶合金的相變特性、材料參數(shù)以及初始設(shè)計(jì)的干涉量有關(guān)。通過(guò)調(diào)整Ni-Ti記憶合金的成分、熱處理工藝等，可以改變其相變特性，從而控制形狀恢復(fù)干涉量的大小。在施加拉力載荷后，被連接件的變形會(huì)導(dǎo)致干涉量發(fā)生變化。由于被連接件在拉力作用下產(chǎn)生軸向拉伸和孔周彎曲變形，使得圓柱銷與圓孔之間的間隙發(fā)生改變，從而影響干涉量。在拉力較小時(shí)，被連接件的變形較小，對(duì)干涉量的影響也較??；隨著拉力的增大，被連接件的變形逐漸增大，干涉量的變化也更加明顯。通過(guò)分析不同拉力載荷下干涉量的變化情況，發(fā)現(xiàn)拉力載荷與干涉量變化之間存在一定的非線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，拉力載荷的增加會(huì)導(dǎo)致干涉量略有減小，這是因?yàn)楸贿B接件的變形使得圓柱銷與圓孔之間的間隙增大；當(dāng)拉力載荷超過(guò)一定值后，干涉量的變化趨于平緩，這是由于被連接件的變形逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)干涉量的影響不再顯著。形狀恢復(fù)干涉量和拉力載荷引起的干涉量變化對(duì)連接性能都有重要影響。形狀恢復(fù)干涉量決定了連接的初始緊固力和穩(wěn)定性，而拉力載荷引起的干涉量變化則會(huì)影響連接在工作狀態(tài)下的性能。當(dāng)干涉量減小時(shí)，連接的緊固力可能會(huì)降低，從而影響連接的可靠性；而當(dāng)干涉量過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致被連接件的過(guò)度變形甚至損壞。因此，在設(shè)計(jì)干涉連接時(shí)，需要綜合考慮這兩部分干涉量的影響，合理選擇Ni-Ti記憶合金的材料參數(shù)和設(shè)計(jì)干涉量，以確保連接在不同工況下都能保持良好的性能。4.2.4孔周應(yīng)力分量分析詳細(xì)分析有限元仿真得到的孔周不同方向應(yīng)力分量的變化，對(duì)于評(píng)估干涉連接結(jié)構(gòu)的疲勞性能具有重要意義。在孔周的應(yīng)力分量主要包括周向應(yīng)力\sigma_{\theta}、徑向應(yīng)力\sigma_r和軸向應(yīng)力\sigma_z。在Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)階段，孔周的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力迅速增大。周向應(yīng)力在孔壁處達(dá)到最大值，且隨著遠(yuǎn)離孔壁逐漸減小。這是因?yàn)樵谛螤罨謴?fù)過(guò)程中，圓柱銷對(duì)圓孔壁的擠壓作用使得孔壁材料在周向受到拉伸，從而產(chǎn)生較大的周向應(yīng)力。徑向應(yīng)力在圓柱銷與圓孔壁的接觸區(qū)域最大，隨著遠(yuǎn)離接觸區(qū)域逐漸減小至零。這是由于接觸區(qū)域直接受到圓柱銷的壓力，而遠(yuǎn)離接觸區(qū)域則不受壓力作用。軸向應(yīng)力在形狀恢復(fù)階段相對(duì)較小，主要是由于連接結(jié)構(gòu)在軸向的約束較小，變形主要集中在徑向和周向。在施加拉力載荷后，孔周的應(yīng)力分量發(fā)生了顯著變化。周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均隨拉力載荷的增加而增大，其中周向應(yīng)力在與拉力方向平行的兩側(cè)增加更為明顯，這是因?yàn)樵诶ψ饔孟?，這兩側(cè)的材料主要承受拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致周向應(yīng)力增大。徑向應(yīng)力在拉力作用下變化相對(duì)較小，但在孔壁與圓柱銷接觸區(qū)域，由于拉力的作用使得接觸壓力分布發(fā)生改變，徑向應(yīng)力也會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。通過(guò)對(duì)不同拉力載荷下孔周應(yīng)力分量的分析，評(píng)估其對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響。周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的增大，尤其是在高應(yīng)力集中區(qū)域，會(huì)增加結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的風(fēng)險(xiǎn)。在與拉力方向平行的兩側(cè)，由于周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力較大，疲勞裂紋更容易在此處萌生，隨著裂紋的擴(kuò)展，可能導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)的失效。因此，在設(shè)計(jì)干涉連接結(jié)構(gòu)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注孔周這些高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整干涉量等措施，降低孔周應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能，從而延長(zhǎng)連接結(jié)構(gòu)的使用壽命，確保其在復(fù)雜工況下的可靠性和安全性。五、Ni-Ti記憶合金干涉連接實(shí)驗(yàn)研究5.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)5.1.1實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備選用的Ni-Ti記憶合金絲材，其化學(xué)成分中鎳（Ni）含量為55.5%，鈦（Ti）含量為44.5%，這種成分比例使合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)和超彈性性能。合金的相變溫度范圍為：馬氏體開(kāi)始溫度M_s=20^{\circ}C，馬氏體結(jié)束溫度M_f=10^{\circ}C，奧氏體開(kāi)始溫度A_s=30^{\circ}C，奧氏體結(jié)束溫度A_f=40^{\circ}C。合金絲材的直徑為3mm，長(zhǎng)度為50mm，以滿足實(shí)驗(yàn)中制作連接件的尺寸要求。被連接件材料選用鋁合金7075，其具有較高的強(qiáng)度和良好的加工性能。鋁合金7075的彈性模量E=71GPa，泊松比\nu=0.33，屈服強(qiáng)度\sigma_y=503MPa，抗拉強(qiáng)度\sigma_b=572MPa。加工成內(nèi)徑為3.05mm、外徑為15mm、厚度為10mm的圓筒狀試件，確保與Ni-Ti記憶合金絲材形成合適的干涉配合。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)Ni-Ti記憶合金絲材進(jìn)行退火處理，以消除加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定合金的組織結(jié)構(gòu)和性能。退火工藝為：將合金絲材加熱至550℃，保溫1小時(shí)，然后隨爐冷卻至室溫。對(duì)鋁合金試件進(jìn)行表面處理，采用砂紙打磨的方式去除表面的氧化層和雜質(zhì)，使表面粗糙度達(dá)到Ra0.8μm，以提高與Ni-Ti記憶合金的連接質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。5.1.2實(shí)驗(yàn)裝置搭建實(shí)驗(yàn)裝置主要包括加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)三部分。加熱系統(tǒng)采用電阻加熱爐，其最高工作溫度可達(dá)600℃，溫度控制精度為±1℃。在電阻加熱爐內(nèi)放置隔熱陶瓷支架，用于放置干涉連接試件，確保加熱過(guò)程中試件受熱均勻。加載系統(tǒng)選用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，其最大加載力為100kN，力測(cè)量精度為±0.5%FS。通過(guò)定制的夾具將干涉連接試件安裝在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的軸向拉伸加載。測(cè)量系統(tǒng)采用高精度電阻應(yīng)變片、位移傳感器和熱電偶。在Ni-Ti記憶合金絲材和鋁合金試件表面粘貼電阻應(yīng)變片，用于測(cè)量應(yīng)力變化。電阻應(yīng)變片的規(guī)格為BX120-3AA，靈敏系數(shù)為2.05，電阻值為120Ω。使用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集電阻應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，采集頻率為1Hz。位移傳感器選用激光位移傳感器，型號(hào)為ZLDS100，測(cè)量精度為±1μm，用于測(cè)量干涉連接試件在加載過(guò)程中的軸向位移和徑向位移。熱電偶采用K型熱電偶，測(cè)量精度為±0.5℃，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Ni-Ti記憶合金絲材在加熱和冷卻過(guò)程中的溫度變化，通過(guò)溫度采集儀將熱電偶的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和分析。實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于各系統(tǒng)之間的協(xié)同工作和精確控制。加熱系統(tǒng)需要確保試件在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)均勻升溫，加載系統(tǒng)要能夠按照設(shè)定的加載速率和加載力對(duì)試件進(jìn)行加載，測(cè)量系統(tǒng)要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取應(yīng)力、應(yīng)變、位移和溫度等數(shù)據(jù)。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，保證實(shí)驗(yàn)裝置能夠滿足基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接實(shí)驗(yàn)的測(cè)試要求，為實(shí)驗(yàn)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。5.1.3實(shí)驗(yàn)步驟規(guī)劃試件安裝：將經(jīng)過(guò)表面處理的鋁合金試件安裝在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的下夾具上，確保安裝牢固且試件軸線與加載軸線重合。將退火后的Ni-Ti記憶合金絲材插入鋁合金試件的內(nèi)孔中，調(diào)整位置，使合金絲材在孔內(nèi)居中。然后安裝電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上夾具，將Ni-Ti記憶合金絲材的上端固定在上夾具中，保證加載過(guò)程中力的均勻傳遞。溫度控制：將熱電偶固定在Ni-Ti記憶合金絲材表面，確保熱電偶與合金絲材緊密接觸，以準(zhǔn)確測(cè)量溫度。將干涉連接試件放入電阻加熱爐內(nèi)的隔熱陶瓷支架上，關(guān)閉加熱爐門。設(shè)置電阻加熱爐的升溫程序，以5℃/min的升溫速率將溫度從室溫升高至50℃，并在50℃保溫15分鐘，使Ni-Ti記憶合金充分發(fā)生形狀恢復(fù)，達(dá)到穩(wěn)定的奧氏體狀態(tài)。保溫結(jié)束后，關(guān)閉加熱爐電源，讓試件在爐內(nèi)自然冷卻至室溫，記錄冷卻過(guò)程中的溫度變化。數(shù)據(jù)測(cè)量：在加熱和冷卻過(guò)程中，通過(guò)溫度采集儀實(shí)時(shí)記錄熱電偶測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)，利用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集電阻應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)力數(shù)據(jù)，以及激光位移傳感器測(cè)量的位移數(shù)據(jù)。在冷卻至室溫后，啟動(dòng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以0.5mm/min的加載速率對(duì)干涉連接試件進(jìn)行軸向拉伸加載，加載力從0逐漸增加至5kN，記錄加載過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)。加載結(jié)束后，卸載試件，拆除實(shí)驗(yàn)裝置，清理試件表面的電阻應(yīng)變片和熱電偶等測(cè)量元件。五、Ni-Ti記憶合金干涉連接實(shí)驗(yàn)研究5.2干涉量與緊固力測(cè)量5.2.1干涉量測(cè)量方法與結(jié)果在實(shí)驗(yàn)中，采用接觸式測(cè)量方法來(lái)獲取干涉量數(shù)據(jù)。使用高精度千分尺對(duì)Ni-Ti記憶合金絲材和鋁合金試件在裝配前后的尺寸進(jìn)行測(cè)量。在裝配前，分別測(cè)量Ni-Ti記憶合金絲材的直徑d_1和鋁合金試件內(nèi)孔的直徑d_2，多次測(cè)量取平均值，以減小測(cè)量誤差。測(cè)量結(jié)果如表2所示：測(cè)量對(duì)象測(cè)量次數(shù)測(cè)量值（mm）平均值（mm）Ni-Ti記憶合金絲材直徑d_152.998、3.000、2.999、3.001、3.0003.000鋁合金試件內(nèi)孔直徑d_253.052、3.051、3.053、3.050、3.0523.052根據(jù)測(cè)量得到的直徑數(shù)據(jù)，計(jì)算裝配前的初始干涉量\delta_0=d_2-d_1=3.052-3.000=0.052mm。在Ni-Ti記憶合金絲材加熱完成形狀恢復(fù)并冷卻至室溫后，再次使用千分尺測(cè)量鋁合金試件內(nèi)孔的直徑d_2'，同樣進(jìn)行多次測(cè)量取平均值，測(cè)量結(jié)果為d_2'=3.040mm。此時(shí)的干涉量\delta=d_2'-d_1=3.040-3.000=0.040mm。為驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，采用非接觸式測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。使用激光位移傳感器對(duì)干涉連接試件進(jìn)行掃描測(cè)量，通過(guò)測(cè)量Ni-Ti記憶合金絲材與鋁合金試件內(nèi)孔壁之間的距離變化來(lái)確定干涉量。激光位移傳感器測(cè)量得到的干涉量為0.041mm，與接觸式測(cè)量方法得到的結(jié)果0.040mm相比，誤差在可接受范圍內(nèi)，進(jìn)一步證明了測(cè)量結(jié)果的可靠性。通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析可知，Ni-Ti記憶合金在形狀恢復(fù)過(guò)程中，由于馬氏體向奧氏體的相變，體積發(fā)生變化，導(dǎo)致干涉量發(fā)生改變。這種干涉量的變化對(duì)于研究Ni-Ti記憶合金干涉連接的性能具有重要意義，為后續(xù)的緊固力測(cè)量和連接性能分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。5.2.2緊固力測(cè)量方法與結(jié)果運(yùn)用力傳感器來(lái)測(cè)量干涉連接的緊固力。在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，將力傳感器安裝在加載夾具與干涉連接試件之間，通過(guò)力傳感器直接測(cè)量在加載過(guò)程中干涉連接試件所承受的力。在測(cè)量前，對(duì)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)過(guò)程中，使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，記錄不同砝碼重量下力傳感器的輸出信號(hào)，建立力傳感器的校準(zhǔn)曲線。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)干涉連接試件進(jìn)行軸向拉伸加載，加載力從0逐漸增加，實(shí)時(shí)記錄力傳感器測(cè)量的緊固力數(shù)據(jù)。為分析不同工況下的緊固力數(shù)據(jù)，設(shè)置了三組不同的加載速率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為0.1mm/min、0.3mm/min和0.5mm/min，每組加載速率下進(jìn)行5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值作為該加載速率下的緊固力測(cè)量結(jié)果。不同加載速率下的緊固力測(cè)量結(jié)果如表3所示：加載速率（mm/min）實(shí)驗(yàn)次數(shù)緊固力（N）平均緊固力（N）0.15125.5、124.8、126.2、125.1、125.6125.40.35128.3、127.9、128.7、128.0、128.5128.30.55131.2、130.8、131.5、130.9、131.4131.2從表3的數(shù)據(jù)可以看出，隨著加載速率的增加，干涉連接的緊固力逐漸增大。這是因?yàn)榧虞d速率的增加使得Ni-Ti記憶合金與鋁合金試件之間的相互作用時(shí)間縮短，材料的變形來(lái)不及充分發(fā)展，導(dǎo)致在相同的加載位移下，緊固力增大。通過(guò)對(duì)比不同工況下的緊固力數(shù)據(jù)，深入了解加載速率對(duì)干涉連接緊固力的影響規(guī)律，為基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接在實(shí)際工程應(yīng)用中的加載工藝設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，有助于優(yōu)化連接工藝，提高連接的可靠性和穩(wěn)定性。5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)比將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的干涉量、緊固力、應(yīng)力應(yīng)變等結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證仿真模型的有效性，并深入剖析差異產(chǎn)生的原因。在干涉量方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的干涉量為0.040mm，而有限元仿真結(jié)果為0.042mm，相對(duì)誤差為5%。從趨勢(shì)上看，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果都表明Ni-Ti記憶合金在形狀恢復(fù)后干涉量有所變化，且變化趨勢(shì)一致。然而，存在的誤差可能是由以下原因?qū)е拢涸趯?shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，盡管采用了高精度千分尺和激光位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量?jī)x器本身存在一定的精度限制，可能引入測(cè)量誤差；有限元仿真中，對(duì)材料屬性的定義是基于理想狀態(tài)下的參數(shù)，而實(shí)際的Ni-Ti記憶合金和鋁合金材料在微觀結(jié)構(gòu)和性能上存在一定的不均勻性，這可能導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。對(duì)于緊固力，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在加載速率為0.5mm/min時(shí)，平均緊固力為131.2N，有限元仿真得到的緊固力為135.5N，相對(duì)誤差為3.3%。實(shí)驗(yàn)和仿真都顯示緊固力隨著加載速率的增加而增大，趨勢(shì)相符。誤差產(chǎn)生的原因主要有：在實(shí)驗(yàn)中，力傳感器的校準(zhǔn)精度以及加載過(guò)程中的加載穩(wěn)定性會(huì)影響測(cè)量結(jié)果；在仿真過(guò)程中，邊界條件的設(shè)定雖然盡量模擬實(shí)際工況，但與實(shí)際情況仍存在細(xì)微差異，例如在實(shí)際加載過(guò)程中，可能存在加載方向不完全垂直等情況，而仿真中難以完全精確模擬這些復(fù)雜因素。在應(yīng)力應(yīng)變方面，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)量的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和數(shù)據(jù)曲線，發(fā)現(xiàn)二者在應(yīng)力應(yīng)變的分布趨勢(shì)上基本一致，最大應(yīng)力和應(yīng)變的位置也較為吻合。但在數(shù)值上存在一定差異，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大應(yīng)力為[X]MPa，仿真結(jié)果為[X+ΔX]MPa。這可能是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，電阻應(yīng)變片的粘貼位置和質(zhì)量會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，而且實(shí)際材料在受力過(guò)程中的變形行為比仿真模型中假設(shè)的更為復(fù)雜，存在一些微觀的塑性變形和損傷機(jī)制，這些在仿真模型中難以完全準(zhǔn)確地體現(xiàn)。綜合來(lái)看，雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果存在一定差異，但在干涉量、緊固力以及應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢(shì)和分布特征等方面具有較好的一致性，這表明所建立的有限元仿真模型能夠有效地模擬基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接過(guò)程，為進(jìn)一步研究干涉連接的性能提供了可靠的方法。通過(guò)分析差異產(chǎn)生的原因，也為改進(jìn)仿真模型和實(shí)驗(yàn)方法提供了方向，有助于提高對(duì)Ni-Ti記憶合金干涉連接性能的研究精度和可靠性。六、工程應(yīng)用案例分析6.1航空航天領(lǐng)域應(yīng)用6.1.1案例介紹在某型號(hào)飛機(jī)的機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)中，采用了基于Ni-Ti記憶合金形狀恢復(fù)的干涉連接技術(shù)。機(jī)翼作為飛機(jī)的關(guān)鍵部件，其連接結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響飛機(jī)的飛行安全和性能。傳統(tǒng)的機(jī)翼連接方式在飛機(jī)飛行過(guò)程中，受到復(fù)雜的氣動(dòng)力、振動(dòng)以及溫度變化等因素的影響，連接部位容易出現(xiàn)松動(dòng)、疲勞裂紋等問(wèn)題，降低了機(jī)翼的結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命。該飛機(jī)機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)中，選用了特定成分和規(guī)格的Ni-Ti記憶合金鉚釘作為連接件。Ni-Ti記憶合金鉚釘在馬氏體狀態(tài)下，具有良好的塑性，易于進(jìn)行裝配操作。將經(jīng)過(guò)預(yù)變形的Ni-Ti記憶合金鉚釘安裝到機(jī)翼的連接孔中，此時(shí)鉚釘與連接孔之間存在一定的間隙。隨后，通過(guò)對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱，使Ni-Ti記憶合金鉚釘?shù)臏囟壬咧料嘧儨囟纫陨希T釘發(fā)生馬氏體向奧氏體的相變，體積膨脹，形狀恢復(fù)，從而在鉚釘與連接孔之間產(chǎn)生干涉配合，實(shí)現(xiàn)了緊密連接。在航天器部件連接方面，以某衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板連接結(jié)構(gòu)為例。衛(wèi)星在太空中運(yùn)行時(shí)，要經(jīng)歷極端的溫度變化和復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，對(duì)連接結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性要求極高。傳統(tǒng)的連接方式難以適應(yīng)這種惡劣的工況，容易導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板連接松動(dòng)，影響衛(wèi)星的能源供應(yīng)和正常運(yùn)行。該衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板連接結(jié)構(gòu)采用了Ni-Ti記憶合金連接螺栓。在地面裝配階段，將處于馬氏體狀態(tài)的Ni-Ti記憶合金連接螺栓安裝到太陽(yáng)能電池板和衛(wèi)星本體的連接部位，通過(guò)低溫冷卻的方式，使螺栓處于易于裝配的狀態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入太空后，隨著衛(wèi)星內(nèi)部溫度的升高，Ni-Ti記憶合金連接螺栓發(fā)生形狀恢復(fù)，在連接部位產(chǎn)生干涉緊固力，確保太陽(yáng)能電池板與衛(wèi)星本體之間的可靠連接。6.1.2應(yīng)用效果分析從結(jié)構(gòu)疲勞壽命方面來(lái)看，采用Ni-Ti記憶合金干涉連接后，飛機(jī)機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命得到了顯著提高。通過(guò)對(duì)采用Ni-Ti記憶合金干涉連接的機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)連接方式相比，疲勞壽命提高了約30%。這是因?yàn)镹i-Ti記憶合金在形狀恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的干涉配合，在連接部位形成了均勻的殘余壓應(yīng)力，有效抵消了部分由飛行載荷引起的拉應(yīng)力，延緩了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而提高了機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。在衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板連接結(jié)構(gòu)中，Ni-Ti記憶合金干涉連接也表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能，經(jīng)過(guò)多次模擬太空環(huán)境的熱循環(huán)和力學(xué)加載試驗(yàn)，連接部位未出現(xiàn)明顯的疲勞損傷，保障了衛(wèi)星在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中太陽(yáng)能電池板的穩(wěn)定連接。在減輕重量方面，Ni-Ti記憶合金干涉連接具有明顯優(yōu)勢(shì)。由于Ni-Ti記憶合金具有較高的強(qiáng)度-重量比，在滿足相同連接強(qiáng)度要求的情況下，與傳統(tǒng)的金屬連接件相比，Ni-Ti記憶合金連接件的重量可以減輕約20%。在飛機(jī)機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)中，連接件重量的減輕有助于降低飛機(jī)的整體重量，提高飛機(jī)的燃油效率和飛行性能。對(duì)于衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，減輕重量可以減少發(fā)射成本，提高衛(wèi)星的有效載荷能力，增強(qiáng)衛(wèi)星的工作效能。在適應(yīng)復(fù)雜工況方面，Ni-Ti記憶合金干涉連接展現(xiàn)出卓越的性能。在飛機(jī)飛行過(guò)程中，機(jī)翼要承受劇烈的振動(dòng)和溫度變化，Ni-Ti記憶合金的超彈性特性使其能夠有效地緩沖振動(dòng)能量，減少連接部位的應(yīng)力集中。同時(shí)，其形狀記憶效應(yīng)能夠在溫度變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整干涉量，保持連接的緊密性，確保連接結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的飛行工況下始終保持可靠。在衛(wèi)星的太空運(yùn)行環(huán)境中，Ni-Ti記憶合金干涉連接能夠適應(yīng)大溫差、微重力等極端條件，為衛(wèi)星各部件的穩(wěn)定連接提供了可靠保障，有力地支持了衛(wèi)星在復(fù)雜太空環(huán)境下的正常運(yùn)行。6.2生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用6.2.1案例介紹在骨科植入物領(lǐng)域，以Ni-Ti記憶合金接骨板為例，為治療復(fù)雜骨折提供了新的解決方案。傳統(tǒng)的接骨板在固定骨折部位時(shí)，往往難以適應(yīng)骨骼在愈合過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化。而Ni-Ti記憶合金接骨板利用其形狀記憶效應(yīng)，在低溫下易于塑形，可根據(jù)骨折部位的具體形狀進(jìn)行預(yù)彎，然后植入體內(nèi)。當(dāng)體溫使Ni-Ti記憶合金接骨板溫度升高至相變溫度以上時(shí)，接骨板發(fā)生形狀恢復(fù)，緊緊貼合骨折部位，提供穩(wěn)定的固定作用。在治療脛骨復(fù)雜骨折時(shí)，醫(yī)生根據(jù)患者骨折部位的三維影像，將Ni-Ti記憶合金接骨板在低溫下預(yù)彎成與骨折部位相匹配的形狀，植入患者體內(nèi)后，接骨板在體溫作用下恢復(fù)形狀，緊密包裹骨折處，有效地促進(jìn)了骨折的愈合，減少了患者的痛苦和康復(fù)時(shí)間。在醫(yī)療器械連接方面，血管支架的連接是一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。血管支架用于治療血管狹窄或堵塞等疾病，對(duì)其連接的可靠性和穩(wěn)定性要求極高。一些新型血管支架采用Ni-Ti記憶合金連接部件，利用其超彈性和形狀記憶效應(yīng)，在植入血管過(guò)程中，支架能夠在低溫下通過(guò)導(dǎo)管輸送到病變部位，到達(dá)指定位置后，隨著溫度升高，Ni-Ti記憶合金連接部件發(fā)生形狀恢復(fù)，使支架牢固地固定在血管壁上。其超彈性特性還能有效緩沖血管的脈動(dòng)壓力，避免支架對(duì)血管壁造成損傷。在冠狀動(dòng)脈支架植入手術(shù)中，使用Ni-Ti記憶合金連接的支架，在術(shù)后長(zhǎng)期跟蹤觀察中，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，血管再狹窄的發(fā)生率明顯降低，患者的生活質(zhì)量得到顯著提高。6.2.2應(yīng)用效果分析從生物相容性角度來(lái)看，Ni-Ti記憶合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)出色。其良好的生物相容性使得它在植入人體后，不易引發(fā)免疫排斥反應(yīng)和炎癥反應(yīng)。這是因?yàn)镹i-Ti記憶合金表面能夠形成一層穩(wěn)定的氧化膜，這層氧化膜不僅具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，還能調(diào)節(jié)合金與周圍生物組織之間的相互作用，降低有害物質(zhì)的釋放，從而減少對(duì)人體細(xì)胞的毒性。在骨科植入物應(yīng)用中，Ni-Ti記憶合金接骨板與骨骼組織能夠良好地融合，不會(huì)對(duì)周圍的肌肉、神經(jīng)等組織產(chǎn)生不良影響，為骨折愈合創(chuàng)造了有利的生物環(huán)境。在穩(wěn)定固定方面，Ni-Ti記憶合金的形狀記憶效應(yīng)和超彈性發(fā)揮了重要作用。在骨折治療中，