《形状记忆合金智能结构》以航空航天领域的结构设计需求为背景，通过开展设计需求分析、结构方案设计、材料性能测试、本构模型表征、驱动器设计、结构设计及优化、试验测试与验证、产品工程化等环节，提出和发展了针对形状记忆合金智能结构较完整的基础理论、设计方法及研制流程；同时，给出了形状记忆合金智能结构的工程应用实例，以期进一步推动形状记忆合金智能结构的工程应用。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 智能结构 1
1.1.1 结构衍变历史 1
1.1.2 智能材料特点 2
1.1.3 智能结构定义 4
1.2 形状记忆合金 5
1.2.1 宏观力学特性 5
1.2.2 微观相变机制 7
1.2.3 SMA发展历程 9
1.3 SMA智能结构 10
1.3.1 定义及分类 10
1.3.2 研制流程 12
1.4 国内外研究现状 15
1.4.1 材料性能测试 15
1.4.2 本构模型表征 18
1.4.3 驱动器设计 22
1.4.4 工程应用 23
1.5 本书内容安排 33
参考文献 34
第2章 SMA材料性能及测试方法 47
2.1 概述 47
2.2 相变温度测试 47
2.2.1 概念及定义 47
2.2.2 测试方法 48
2.2.3 测试实例 50
2.3 基本力学性能测试 52
2.3.1 概念及定义 52
2.3.2 测试方法 54
2.3.3 测试实例 56
2.4 力学性能衰减测试 59
2.4.1 概念及定义 59
2.4.2 测试方法 60
2.4.3 测试实例 61
2.5 热处理工艺 68
2.5.1 消除加工硬化 68
2.5.2 调节相变温度 69
2.5.3 改善力学性能 70
2.5.4 设定初始形状 71
2.6 小结 72
参考文献 72
第3章 SMA本构模型 73
3.1 概述 73
3.2 多相变SMA本构模型 73
3.2.1 三维本构模型 73
3.2.2 有限元数值计算及验证 80
3.2.3 一维本构模型 89
3.3 考虑循环衰减的一维本构模型 92
3.3.1 循环衰减特点 92
3.3.2 衰减控制方程 96
3.3.3 算例及验证 97
3.4 拟温度法 101
3.4.1 拟温度法原理 101
3.4.2 拟温度法算例 103
3.5 折线型超弹性本构模型 105
3.5.1 折线型模型 106
3.5.2 等价线性化分析 107
3.5.3 单自由度系统算例 108
3.6 小结 109
参考文献 109
附录 符号对照表 112
第4章 SMA驱动器设计理论与方法 116
4.1 概述 116
4.2 驱动器分类及特点 116
4.2.1 恒定载荷驱动器 117
4.2.2 线性变载荷驱动器 117
4.2.3 突变载荷驱动器 118
4.2.4 不同运动输出的驱动器 119
4.3 驱动器的性能设计 121
4.3.1 恒定载荷驱动器 121
4.3.2 线性变载荷驱动器 124
4.3.3 突变载荷驱动器 129
4.4 驱动器的寿命预测 132
4.4.1 失效过程分析 133
4.4.2 寿命预测模型 134
4.4.3 试验验证 138
4.5 小结 142
参考文献 142
第5章 SMA航天压紧释放机构 145
5.1 概述 145
5.2 挂钩式压紧释放机构SMA-100 145
5.2.1 设计需求分析 145
5.2.2 结构方案设计 146
5.2.3 驱动器设计 146
5.2.4 试验测试与验证 147
5.3 分瓣螺母压紧释放机构SMA-3600 150
5.3.1 设计需求分析 150
5.3.2 结构方案设计 151
5.3.3 驱动器设计 153
5.3.4 试验测试与验证 154
5.4 二级触发压紧释放机构SMA-10000 158
5.4.1 设计需求分析 158
5.4.2 结构方案设计 158
5.4.3 驱动器设计 160
5.4.4 试验测试与验证 161
5.5 分组滚棒压紧释放机构SMA-30000 168
5.5.1 设计需求分析 168
5.5.2 结构方案设计 168
5.5.3 驱动器设计 170
5.5.4 试验测试与验证 171
5.6 小结 175
参考文献 175
第6章 SMA航天锁紧机构 177
6.1 概述 177
6.2 SMA磁悬浮飞轮锁紧机构 177
6.2.1 设计需求分析 177
6.2.2 结构方案设计 178
6.2.3 驱动器设计 179
6.2.4 试验测试与验证 180
6.3 SMA馈源锁紧机构 185
6.3.1 设计需求分析 185
6.3.2 结构方案设计 185
6.3.3 驱动器设计 186
6.3.4 试验测试与验证 187
6.4 SMA电机 190
6.4.1 设计需求分析 190
6.4.2 结构方案设计 191
6.4.3 驱动器设计 192
6.4.4 试验测试与验证 194
6.5 小结 196
参考文献 197
第7章 SMA减振结构 199
7.1 概述 199
7.2 主动变刚度的转子支承结构 199
7.2.1 设计需求分析 199
7.2.2 结构方案设计 200
7.2.3 驱动器设计 204
7.2.4 试验测试与验证 205
7.3 拟橡胶金属减振器 210
7.3.1 拟橡胶金属元件 211
7.3.2 减振器结构 215
7.3.3 减振器性能试验 215
7.3.4 其他SMA阻尼减振结构 220
7.4 考虑预应力的大阻尼减振器设计 223
7.4.1 预压缩对SMA减振器特性的影响 225
7.4.2 考虑预压缩、预拉伸影响的减振器设计 229
7.5 小结 232

第1章 绪论
　　1.1 智能结构
　　结构是反映有形物体或无形认知等相互之间关系的概念。结构本身可以由一个或多个物体组成，如机械结构、建筑结构等；也可以是一种属性，如社会结构、数据结构等。本书的结构是指由单个或者多个物体组成，能够维持自身形状，并具有一定刚度、阻尼和承载能力的装配体。
　　按照来源不同，结构可以划分为天然结构和人造结构。天然结构广泛存在于自然界中，如岩石、地壳、植物和动物的组成部分等；人造结构是人类在自然界物体的基础上发明和制造的，如石器、机械、电子产品等。
　　1.1.1 结构衍变历史
　　天然结构，尤其是生物体相关的结构，在大自然的长期进化和衍变过程中，形成了经过优化、高效的组织形式，使结构不单具有传统的刚度、承力、支撑功能，还能够根据外界环境的变化，自我传感、思考、驱动，以改变自身的状态，适应外界环境，具有智能化的特征。例如，人类的皮肤（图1.1），它本身集多种传感、驱动功能为一身，不仅作为人体的保护结构，还具有温度、湿度、压力等传感功能，能驱动毛孔、汗毛、汗腺等的运动，实现人体温度调节。再如，蚕茧（图1.2）是非常轻质的多孔结构，其内部结构优化、高效，不仅透气性好，还有一定的阻尼，能够消耗一定的外界攻击能量，保护蚕蛹免受伤害。
　　人造结构随着人类历史发展，其“智能化”程度也在不断提高（图1.3）。在石器时代，人类直接使用石材、骨头等天然材料，通过简单打磨，制造出的结构形状简单、功能单一；青铜器时代，铜被发现并用于铸造结构，青铜器外形精致，功能多样；铁器时代，人类掌握了铁的冶炼和制造技术，结构的强度进一步提高，形状进一步优化；蒸汽时代，随着蒸汽机的发明，结构有了动力源，变成了“活”的结构；电气时代，随着内燃机、电机等更多动力源的出现和自控技术的快速发展，结构不仅能够“活”动，而且具备自我控制能力；当前所处的信息时代，随着计算机的发明和普及、微纳米加工技术的发展、新型微传感器与驱动器的出现，结构能够自我思考、传感、驱动，更加趋近于自然界中的生命体。从图1.3可以看出，随着人类文明从石器时代发展到现在的信息时代，人造结构的形式越来越精巧，功能越来越多样化，“智能化”程度越来越高。
　　图1.1 人类皮肤结构
　　图1.2 蚕茧
　　图1.3 人造结构衍变历史
　　1.1.2 智能材料特点
　　智能材料是指材料的一种或多种性质（如阻尼、刚度、形状、电阻等）会在激励（如力、热、光、电、磁等）作用下，发生显著变化。根据用途不同，智能材料通常可分为两大类：传感（或敏感）材料和驱动材料。
　　传感材料是指对来自外界或内部的刺激强度及变化具有感知能力，并能以电流、电压、磁场、光等信号进行反馈的材料。这类材料可以用于结构中，实现传感功能。常见的传感材料有光纤、热敏材料、变形敏感材料等。利用传感材料可以制作传感器。传感器是一种能感受指定的被测量，并输出信号的器件或装置。
　　驱动材料可以根据温度、电场或磁场等的变化来改变自身的颜色、形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、相位、内耗等性能，可用在结构中，实现驱动功能。常见的驱动材料有形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)、压电材料、电流变材料等。利用驱动材料可以制作驱动器，驱动器是一种将能量（如电能、液压、气压、电磁等）转换为运动或力输出的装置，通常用于结构或系统的移动或控制。
　　在结构中选用智能材料驱动时，评价其性能的关键指标有驱动应力和应变、能量密度、驱动频率等。图1.4为常用智能材料驱动应力、应变及体积能量密度（单位体积中的能量）的对比。图1.5为能量密度（单位质量中的能量）及驱动频率的对比。可以看出，在现有智能材料中，SMA的能量密度*高，同时也具有较高的驱动频率、较大的输出应力和应变，综合性能突出，是一种在工程中易于推广使用的智能材料。
　　图1.4 常用智能材料驱动应力、应变及体积能量密度对比
　　图1.5 常用智能材料能量密度及驱动频率对比
　　1.1.3 智能结构定义
　　智能结构是在结构中集成智能材料作为传感器和（或）驱动器，使结构除了具有承载、传力、连接等功能外，还具有感知自身状态（温度、压力、速度等）、改变自身性质（刚度、阻尼、形状等）等功能，以更好地适应外界环境的变化，实现预定功能的一类结构。
　　智能结构的*显著特点是结构和传感器、驱动器高度集成，这个特点使智能结构明显区别于传统的具有主动控制功能的结构。如图1.6所示，传统的具有主动控制功能的结构一般包含传感器、驱动器、控制器等多个部分，并且传感器、驱动器的界限分明。相比之下，智能结构由于利用了智能材料的固有驱动、传感特性，直接将智能材料集成到结构之中，使结构更接近于生物体结构，智能和自适应特点更明显，能够更好地实现结构的功能。
　　图1.6 传统主动控制