自适应变体结构技术作为新一代飞行器关键技术能够显著地改善飞行器在整个飞行包线中的气动性能,并使其能够执行更多不同的飞行任务。利用自适应变体结构技术,飞行器能够根据飞行环境自发地改变自身气动外形,从而使飞行器能够始终具有最佳气动性能。作为一种兼具感知与驱动能力的功能材料,形状记忆合金能够将热能转变为机械能,是实现结构自适应变形的理想材料。利用形状记忆合金改变飞行器的气动外形已成为当前一个重要的研究方向。区别于通常以驱动器的形式应用于自适应结构中,本文旨在将三维形状记忆合金鼓包结构直接用作一种自适应变体结构,利用形状记忆合金的双向形状记忆效应,实现鼓包结构在连续变化的环境温度下自发地实现高温构型与低温构型之间的连续变形。为此,本文从数学建模、数值仿真以及实验制备及测试角度分析形状记忆合金自适应结构热力学响应的问题。主要内容及创新点包括:1.形状记忆合金条带热力学响应模型。(1)考虑相变过程中材料内部的能量耗散以及内能的变化,建立了形状记忆合金相变过程的能量耗散守恒方程,得出了形状记忆合金相变过程中热流激励与温度之间的关系;(2)提出相变膨胀张量的概念,将形状记忆合金本构关系进行简化,从而得到类似于热膨胀效应形式的形状记忆合金应力-应变本构关系;(3)基于虚功原理,利用ABAQUS用户自定义单元功能开发了三维六面体八节点形状记忆合金热力耦合单元,实现了形状记忆合金结构热力耦合问题有限元计算;(4)利用开发的单元子程序对形状记忆合金条带的热力学响应过程进行仿真,仿真结果与形状记忆合金条带实验结果的对比进一步验证了所提模型的实用性、可靠性。2.三维形状记忆合金本构模型理论的修正及其子程序实现。(1)从形状记忆合金热力学势函数出发,回顾了Byod-Lagoudas三维形状记忆合金本构关系模型推导过程;(2)结合热弹性马氏体相变基本特性,给出了形状记忆合金相变转变张量的约束条件,建立了三维形式形状记忆合金结构最大相变应变的函数形式;(3)基于位移增量方法,推导出三维形状记忆合金切线刚度张量,并将修正后的形状记忆合金本构关系编写为用户材料子程序。3.固定边界条件下形状记忆合金鼓包双向形状记忆效应的训练。(1)结合传统形状记忆合金结构的训练方法以及鼓包变形特点提出了适用于三维形状记忆合金结构的恒变形循环训练方法;(2)设计并研制了一套适用于三维形状记忆合金鼓包热机械训练的控制装置,该套装置由加载约束部分以及温度控制系统组成,极大地降低了鼓包训练难度并缩短了鼓包的训练时长;(3)利用所提出的形状记忆合金鼓包训练方法以及所研制的训练控制装置完成固定边界条件下形状记忆合金鼓包双向形状记忆效应的热机械训练过程,获得具有升温变平、降温鼓起变形特性的形状记忆合金鼓包。4.最大相变应变模型建立以及鼓包在均匀/非均匀温度场下热力学响应分析。(1)结合有限元仿真计算以及实验测试结果,完成形状记忆合金最大相变应变数学模型的建立;(2)对三维形状记忆合金鼓包热力学响应过程进行了有限元仿真计算,通过与实验测试结果对比可知所建立的形状记忆合金鼓包有限元模型能够较好地模拟鼓包热力学响应变形过程;(3)对所训练的形状记忆合金鼓包的双向形状记忆变形能力进行了测试,分析了一定程度的外载条件对鼓包变形能力的影响;(4)以低速流场环境为例,结合风洞试验,从数值分析角度研究了复杂温度场下形状记忆合金鼓包热力学响应情况。5.围绕超临界翼型局部激波减阻问题,提出了基于形状记忆合金的三维自适应激波控制鼓包。(1)针对具体的超临界翼型,设计出基于形状记忆合金的三维自适应激波控制鼓包结构形式;(2)利用有限元仿真计算方法研究了所设计的形状记忆合金鼓包在热激励下的力学响应及变形情况,该鼓包在翼型初始预应变及激波区域的负压条件作用下,在升温相变时能够变形成向上凸起的鼓包;(3)通过流场计算分析了一定飞行攻角范围内鼓包外形高度对翼型气动特性的影响;(4)以变攻角为例,联合有限元计算和计算流体动力学分析方法对形状记忆合金鼓包几何外形和驱动温度在某一攻角范围内进行了优化计算,从而得到鼓包在不同飞行攻角下最优气动外形以及最佳驱动温度。