SUPERVISOR
Abbas Ghaei,Mahmoud Kadkhodaei
عباس قائی (استاد مشاور) محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما)
STUDENT
Omidhossein Abrishami
سیدامیدحسین ابریشمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Investigation on the Behavior of SMA Wires under Cyclic Loadings
SMAs are widely used for having two properties of shape memory and superelasticity. These alloys are usually available as wires and go under cyclic loadings in some practical applications, one of which could be indicated as the training process for creating two way shape memory effect (TWSME). Training in the form of applying cyclic loads until obtaining stabilized response and hence stability of non-elastic strains in SMA is one of the most effective achieving methods for getting TWSME. Using these alloys as dampers for controlling mechanical vibrations, due to their high damping capacities, is another case for imposing SMAs to cyclic loads. Hence the importances of studying and identifying SMAs behaviors under cyclic loadings are considered more than before. Thermo-mechanical coupling in shape memory alloys (SMAs) and its effect on high strain rates cause temperature variation of SMA during cyclic loadings. Temperature variation leads to dependence of cyclic responses of SMA in each cycle to previous ones. So, in analyzing cyclic responses in either transient or stable states, resolving all the previous cycles would be needed that it often leads to solving time consuming and complex equations. Although the loading condition in most of the studies on these alloys are assumed to be quasi-static, in the subject of investigating cyclic behaviors, consideration of models depending on the strain rate is inevitable. In this thesis, Firstly, a 1-D thermo-mechanical model is proposed and equations in continuum mechanics framework are extracted for stress-controlled and strain-controlled loadings. y developing a code in MATLAB, the boundary value problem is numerically solved and cyclic responses are extracted and compared with Kadkhodaei et al. results. Validation of equations and their results are showed by carrying out experimental tests on a nitinol wire in stress-controlled and strain-controlled cyclic loadings and proper agreement was observed between numerical results and experimental findings.The second part corresponds to the idea presented in order to cut the dependence of responses to temperature and predicting the number of loading cycles until getting stabilized response without solving all loading cycles. By assuming fixed temperature during cyclic loadings, the non quasi-static loading case may be behaved similar to the quasi-static state but SMA properties should be changed in such a way that prediction of the non-static responses at each instant of loading is possible. A pattern for variations in the mentioned properties and the number of loading cycles until getting stabilized response in different strain rates is proposed. The relations of the properties variations and the sensitivity of these relations coefficients to the loading situation are also investigated. The effects of transformation temperatures and wire diameter on variation of these parameters are also studied.Through the present approach in this research, non- static loading condition of SMA wires have the same behavior as the quasi-static state and the existing phase transformation relations could be used. However, in such a condition the effect of displacing lines and the effect of rotation of transformation strips in phase diagram are considered in order to predict SMA behaviors properly without solving complex thermo-mechanical equations. Key Words: Shape Memory Alloys (SMAs), Cyclic loading, Strain rate dependency, Thermo-mechanical coupling, Training.
آلیاژهای حافظه دار به دلیل دو ویژگی حافظه داری و شبه الاستیکی که از خود بروز می دهند بسیار مورد توجه هستند. این آلیاژها اغلب به صورت سیم مورد استفاده قرار می گیرند و در برخی کاربرد ها تحت بار چرخه ای قرار می گیرند. از این جمله موارد می توان به فرآیند تربیت برای ایجاد خاصیت حافظه داری دوطرفه اشاره کرد. تربیت عموماً به صورت اعمال بارهای چرخه ای تا زمان حصول پاسخ تثبیت شده و در نتیجه تثبیت کرنش های غیرالاستیک درون یک آلیاژ حافظه دار به عنوان یکی از موثرترین روش های اکتساب خاصیت حافظه داری دوطرفه است. همچنین استفاده از این آلیاژها به عنوان میراگر جهت کنترل ارتعاشات مکانیکی به دلیل ظرفیت بالای میرایی که از خود بروز می دهند نمونه دیگری از موارد قرارگیری آلیاژهای حافظه دار تحت بار چرخه ای است. لذا اهمیت مطالعه و شناخت دقیق رفتار این آلیاژها در بارگذاری چرخه ای بیش از پیش مورد توجه قرار می گیرد. وابستگی حرارتی- مکانیکی موجود در آلیاژهای حافظه دار و تاثیر آن در نرخ کرنش های بالا عامل اصلی ایجاد تغییرات دما در آلیاژهای حافظه دار هنگام بارگذاری چرخه ای است. تغییرات دمایی آلیاژدر هر چرخه یکی از اصلی ترین دلایل وابستگی پاسخ های چرخه ای آلیاژهای حافظه دار در هر چرخه به چرخه های قبلی است. از این رو در بررسی پاسخ های چرخه ای، چه در حالت گذرا و چه در حالت ماندگار نیاز به حل کامل تمام چرخه های ماقبل است که اغلب منجر به حل معادلات پیچیده و وقت گیر می گردد. اگر چه در بیشتر مطالعات انجام شده روی این آلیاژها شرایط بارگذاری شبه-استاتیک فرض شده، اما در بحث بررسی رفتار چرخه ای توجه به مدل های وابسته به نرخ اجتناب ناپذیر است. در قسمت نخست این تحقیق با استفاده از مدل کدخدایی و همکاران معادلات حرارتی- مکانیکی در چارچوب مکانیک محیط های پیوسته برای دو حالت تنش-کنترل و کرنش-کنترل تحلیل شده است. با نوشتن برنامه ای به زبان متلب، مساله مقدار مرزی به صورت عددی حل و پاسخ های چرخه ای استخراج شده با نتایج کدخدایی و همکاران مقایسه گردیده است. با انجام آزمون آزمایشگاهی روی سیم نایتینولی در شرایط بارگذاری تنش-کنترل و کرنش-کنترل اعتبار روابط و نتایج استخراج شده سنجیده شده است. با مقایسه ی نتایج بدست آمده تطابق خوبی بین نتایج تجربی و شبیه سازی شده مشاهده گردید. در قسمت دوم برای حل مشکل وابستگی پاسخ ها به دما و همچنین حدس تعداد چرخه های لازم برای رسیدن به پاسخ تثبیت شده، بدون حل معادلات، ایده ای به این صورت ارائه گردیده که در آن فرض شده در بارگذاری چرخه ای دما تغییر نمی کند و اثرات تغییر دما برروی سایر خصوصیات فیزیکی آلیاژ لحاظ شده است. به عبارت دیگر در تحلیل رفتار چرخه ای سیم حافظه دار به جای لحاظ کردن تغییرات دما، با ثابت فرض کردن درجه حرارت سیم با مساله بار گذاری غیراستاتیکی همانند حالت شبه استاتیک رفتار شده، با این تفاوت که ثابت های ماده به گونه ای تغییر داده می شوند تا پاسخ غیراستاتیک در هر لحظه برآورده شود. در ادامه الگویی برای تغییرات خواص یادشده با رویکرد ارتباط آن ها با تعدادچرخه ها و نرخ کرنش اعمالی بیان گردیده و تعداد چرخه های بارگذاری تا رسیدن به حالت پایدار در نرخ کرنش های مختلف و شرایط بارگذاری متفاوت محاسبه گردیده است. در ادامه روابط مربوط به نحوه ی تغییرات خواص مذکور و محاسبه میزان حساسیت ضرائب روابط به شرایط بارگذاری نیز مطالعه گردیده است. در انتها تاثیر ویژگی های ساختاری و ابعادی سیم نایتینولی اعم از دماهای تغییر فاز و قطر سیم بر پارامترهای مورد بحث بررسی شده است. با الگوی ارائه شده در این تحقیق می توان با مساله بارگذاری غیراستاتیک سیم هایی از جنس آلیاژ حافظه دار همانند حالت شبه استاتیک رفتار کرد و از روابط تغییر فاز موجود استفاده کرد منوط به این که در بارگذاری اثر جابجایی خطوط و در باربرداری اثر دوران خطوط در دیاگرام فازی را لحاظ کرد تا بتوان بدون حل معادلات حرارتی- مکانیکی پیچیده رفتار آلیاژ را به درستی پیش بینی کرد. کلمات کلیدی: آلیاژهای حافظه دار، بارگذاری چرخه ای، وابستگی به نرخ کرنش، وابستگی حرارتی- مکانیکی، تربیت کردن