Skip to main content
SUPERVISOR
Abbas Ghaei,Mahmoud Kadkhodaei
عباس قائی (استاد مشاور) محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Milad Shirani
میلاد شیرانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Constitutive Modeling of Ferromagnetic Shape Memory Alloys
Smart materials have received much attention to be employed as sensors and actuators in various industrial and biomechanical applications, given their special capabilities of interconverting different forms of energy. Among smart materials, there has especially been much research effort in constitutive modeling of shape memory alloys (SMA’s) due to their special behavior and high-strain capabilities . A branch of these alloys, that has recently attracted the attention of researchers, is able to create strain in a magnetic field in addition to processing the conventional behaviors of shape memory alloys. These materials are termed ferromagnetic memory alloys (FSMA's). Several attempts have hitherto been made to study their behaviors subjected to combined loadings of magnetic fields and mechanical stresses. The existing models are in implicit forms and require rather long numerical solutions. The main goal of this thesis is to provide an explicit model able to predict the behaviors of these materials under any loading conditions. The proposed model is both simple and capable of being used without the need of incremental numerical solutions. In order to attain the proposed model for FSMA’s, the accepted definitions and assumptions used for modeling SMA’s are first discussed. Furthermore, conditions are introduced where current models in SMA’s produce conflicting results against experimental data. Some experiments are also done to examine the existing models and assumptions regarding SMA’s. Moreover, incompatibility of these models with actual data is shown. Thereafter, an explicit model based on continuum mechanics is presented which is capable of simulating SMA’s behavior when subjected to phase transformations. In this model, the effect of loading history on the onset of phase transformation is taken into account. Therefore, according to the obtained supportive experimental data, transformation surfaces are introduced in place of the existing phase. The proposed explicit model for FSMA’s is also based on continuum mechanics and is capable of predicting the behavior of these materials subjected to stress and magnetic fields. In order to examine the suggested model, relevant experiments are conducted on a Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy. The obtained results nicely fit the experimental findings indicating the validity of this approach. In addition to the simplicity of its usage, a prominent feature of the new model is the way it accounts for the loading history effects on the conditions of initiation of inelastic strain . The proposed transformation surfaces are defined in such a way that is able to study all possible loadings . At last, the behaviors of these materials subjected to biaxial loadings are examined, and a model capable of predicting their behavior under such conditions is proposed for the first time. Keywords: Ferromagnetic shape memory alloy, constitutive model, transformation surface, Shape memory alloy, loading history, phase diagram.
با توجه به قابلیت های ویژه مواد هوشمند در تبدیل صورت های مختلف انرژی به یکدیگر، این مواد در کاربردهای مختلف صنعتی و بیومکانیکی به عنوان عملگر و حسگر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. در میان مواد هوشمند، آلیاژهای حافظه دار به دلیل ایجاد کرنش های زیاد و رفتارهای ویژه خود، همواره مورد توجه پژوهشگران بوده و تلاش های زیادی برای مدل کردن رفتار این مواد صورت گرفته است. شاخه ای از این مواد که به تازگی مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است، علاوه بر رفتارهای متداول آلیاژهای حافظه دار قادر به ایجاد کرنش در میدان مغاطیسی می باشد. به این مواد آلیاژهای حافظه دار فرومغناطیس می گویند. تاکنون تلاش های زیادی برای مدل کردن رفتار این مواد تحت بارگذاری هایی که ترکیبی از میدان مغناطیسی و تنش بوده، صورت گرفته است. مدل هایی که تاکنون ارائه شد به صورت ضمنی بوده که برای شبیه سازی به کمک آن ها بعضاً حل های عددی طولانی لازم می باشد. در مقایسه با مدل های ضمنی ارائه شده، مدلی صریح که قادر به پیش بینی رفتار این مواد تحت هر بارگذاری باشد، ارائه نشده است. در این پایان نامه هدف بر این است که مدلی صریح ارائه شود که قادر به پیش بینی رفتار این مواد تحت هر گونه بارگذاری بوده و به سادگی و بدون نیاز به استفاده از روش های عددی قابل استفاده باشد. به منظور دستیابی به مدل ارائه شده برای آلیاژهای حافظه دار فرومغناطیس، فرضیات و تعاریفی که در آلیاژهای حافظه دار پذیرفته شده اند و برای مدل کردن رفتار این مواد مورد استفاده قرار می گیرند، در ابتدا مورد نقد و بررسی قرار گرفته اند و شرایطی معرفی شده است که مدل های موجود در آلیاژهای حافظه دار نتایجی متضادی با واقعیت ارائه می دهند. همچنین آزمایش هایی برای بررسی فرضیات و مدل های پذیرفته شده در آلیاژهای حافظه دار صورت گرفته است و عدم سازگاری این فرضیات و این مدل ها با آزمایش نشان داده شده است. سپس مدلی صریح بر مبنای مکانیک محیط های ارائه شده قابلیت مدل کردن رفتار آلیاژهای حافظه دار را هنگامی که تغییر فاز در آنها رخ می دهد دارا می باشد. در این مدل اثر تاریخچه بارگذاری بر روی شرایط شروع تغییر فاز در نظر گرفته شده است. بنابراین سطوح فازی به جای دیاگرام های فازی موجود معرفی شدند و به کمک نتایج آزمایش های موجود صحت مدل ارائه شده، نشان داده شده است. مدل صریحی که در این پایان نامه برای آلیاژهای حافظه دار فرومغناطیس ارائه شده است بر مبنای مکانیک محیط های پیوسته بوده و قابلیت پیش بینی رفتار این مواد را هنگامی که تحت اثر همزمان میدان مغناطیسی و تنش می باشند دارا است. به منظور بررسی صحت این مدل آزمایش هایی متناسب بر روی نمونه آلیاژ حافظه دار فرومغناطیس انجام گردیده است و همخوانی بسیار خوب آزمایش ها و پیش بینی مدل، دلیلی بر صحت مدل ارائه شده می باشد. از ویژگی های بارز این مدل علاوه بر سادگی استفاده آن، در نظر گرفتن تاریخچه بارگذاری بر روی شرایط شروع فرآیند کرنش غیر الاستیک می باشد. دیاگرام های فازی و سطوح فازی مناسب به گونه ای تعریف شده اند که قابلیت استفاده در تمامی حالات ممکن بارگذاری را دارا باشند. همچنین رفتار این مواد تحت بارگذاری دو محوره تنش مورد بررسی قرار گرفت و برای اولین بار مدلی مناسب که بتواند این رفتار را پیش بینی کند ارائه شده است. کلمات کلیدی : آلیاژهای حافظه دار فرومغناطیس، آلیاژهای حافظه دار، مدلسازی ساختاری، تاریخچه بارگذاری، دیاگرام فازی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی