Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Kadkhodaei,Mehdi Salmani tehrani
محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما) مهدی سلمانی تهرانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Siavash Jafarzadeh
سیاوش جعفرزاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Finite Element Simulation of Ferromagnetic Shape Memory Alloys under Magneto-Mechanical Loadings
Ferromagnetic shape memory alloys (FSMA) are a category of smart materials which go under large strains when they are imposed to magnetic field and/or compressive stress. This special characteristic makes these alloys -which are known for less than two decades- suitable candidates for use in sensors and actuators. In recent years several constitutive models with various approaches have been proposed for the coupled magneto-mechanical behaviour of these materials. However, few numerical and FEM analyses with limited functionality have been conducted on these alloys. In this research, a user friendly method for finite element simulation of FSMA is proposed which can be used for general applications. In this regard, an explicit constitutive model is modified to obtain enhanced functionality; then it is implemented to a material user subroutine in the commercial FE software ABAQUS.According to available experimental findings and geometry proportions, an enhanced phase-diagram is introduced for NiMnGa . The constitutive model is modified so that it can predict the response of NiMnGa in various magneto-mechanical loadings when magnetic field and stress are applied perpendicularly. Due to the fact that ABAQUS does not have any option to analyze magneto-mechanical problems as default, innovative methods are used to implement the model in user subroutines. To simulate these alloys under biaxial compression, a particular model is implemented in another user subroutine.To verify the enhanced model and the introduced implementation methods, reported experimental results are used. Afterwards, a spring actuator and a push-push actuator are simulated as two well-known applications of FSMA-based actuators. Furthermore, by using FEM analysis, it is shown that how geometrically grading can increase the controlability of these materials. As another case study, the influence of changes in the distance between a NiMnGa specimen and a magnetic source on the induced mechanical response is investigated. Keywords: Ferromagnetic shape memory alloys, Magneto-mechanical behaviour, Phase-diagram, Finite element simulation, ABAQUS, Subroutine
آلیاژهای حافظه‌دار فرومغناطیس دسته‌ای از مواد هوشمند هستند که وقتی در فاز مارتنزیت قرار دارند با اعمال میدان مغناطیسی و/یا تنش فشاری کرنشی بزرگ وقابل بازیابی از خود نشان ‌می‌دهند. این خصوصیت موجب شده تا این مواد که تنها دو دهه از عمرشان می‌گذرد در حس‌گرها وعمل‌گرها کاربرد داشته باشند. در سال‌های اخیر چندین مدل‌ساختاری با رویکردهایی متفاوت برای رفتار مگنتومکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار فرومغناطیس ارائه شده است. اما کارهای عددی و حل اجزای‌محدود زیادی در این زمینه صورت نگرفته است. بیشتر شبیه‌سازی‌های اجزا محدود انجام شده برای این مواد مربوط به دست‌یابی به توزیع میدان مغناطیسی در هندسه جسم می‌باشد. آن‌هایی نیز که به شبیه‌سازی رفتار هم‌بسته [1] مگنتومکانیکی پرداخته اند عموماً کاربر پسند [2] نبوده و محدود به موارد خاصی هستند. در این پژوهش به ارائه روشی کاربرپسند برای شبیه‌سازی اجزای محدود این آلیاژها در کاربردهای عمومی پرداخته شده است. بدین منظور ابتدا یک مدل‌ساختاری صریح اصلاح شده و قابلیت‌های آن بهبود یافته‌است. سپس مدل در نرم افزار تجاری اجزای محدود آباکوس پیاده‌سازی شده است. در این پروژه با استفاده از مشاهدات تجربی و تناسب هندسی یک دیاگرام فازی اصلاح شده برای آلیاژ NiMnGa ارائه می‌شود. مدل به‌گونه‌ای اصلاح شده که توانایی پیش‌بینی پاسخ ماده تحت انواع بارگذاری‌های مگنتومکانیکی که میدان مغناطیسی و تنش بر هم عمودند را دارا باشد. با توجه به این که نرم‌افزار آباکوس شرایط تحلیل مگنتومکانیکی را به‌صورت پیش‌فرض ندارد، با روش‌هایی نوآورانه مدل ساختاری در زیربرنامه‌های آباکوس پیاده‌سازی می‌شود. به‌منظور شبیه‌سازی این آلیاژها تحت رفتار بخصوص فشار دو محوره نیز از پیاده‌سازی یک مدل منحصر به این رفتار، در یک زیربرنامه آباکوس استفاده شده است. در این تحقیق به‌منظور صحت‌سنجی مدل اصلاح شده و روش‌های پیاده‌سازی از نتایج تجربی استفاده شده است. پس از حصول اطمینان از صحت کمی و کیفی مدل و روش شبیه‌سازی به تحلیل موارد و مساثل متنوعی پرداخته‌شده است. عمل‌گرهای فنری و رانش-رانش به عنوان دو نمونه از برکاربردترین عمل‌گرهای حاوی آلیاژهای حافظه‌دار فرومغناطیس شبیه‌سازی شده‌اند. همچنین با استفاده از بحث هدفمندی هندسی نشان داده شده که چگونه تغییر هندسة قطعات می تواند منجر به افزایش کنترل ‌پذیری در آن‌ها ‌شود. بررسی اثر افزایش فاصله از منبع میدان مغناطیسی بر روی پاسخ مکانیکی NiMnGa مسأله‌ی دیگری است که با شبیه‌سازی به تحلیل آن پرداخته‌شده است. کلمات کلیدی: آلیاژهای حافظه‌دار فرومغناطیس، مدل‌ ساختاری، دیاگرام‌فازی، رفتار مگنتومکانیکی، شبیه‌سازی اجزای محدود، آباکوس، زیربرنامه. [1] Coupled [2] User-friendly

ارتقاء امنیت وب با وف بومی