SUPERVISOR
شبنم رسولی یزدی(ارباب شیرانی) (استاد مشاور) جمال ارغوانی هادی (استاد مشاور) محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما)
STUDENT
Reza Mehrabi Nejad Boshrabadi
رضا مهرابی نژادبشرآبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Modeling of SMAs Behavior under Multiaxial Loadings using Microplane Theory at Different Temperatures
Shape memory alloys (SMAs) are one of the most popular smart materials, with the ability to release residual strain and return to their initial configuration when heated up to a particular temperature. Due to phase transformations during thermomechanical loading, the constitutive modeling of these materials is complex. In most of the existing three-dimensional phenomenological models, some of the material parameters cannot be directly evaluated and must be calibrated by comparing the obtained responses with experimental results. This dissertation concerns the modeling of shape memory alloys using microplane formulation in a thermodynamically-consistent framework. Microplane formulation provides closed form relations for calculating the strain components in terms of the stress components. One advantage of this approach is in the limited number of the required material parameters. These material parameters can be calculated in simple tension and torsion tests. The main feature of this modeling is in describing the behavior of a complex material with simple constitutive laws on each microplane. To this end, the approach finds the material behavior in any direction on each microplane and then uses the micro-macro homogenization process to obtain the overall macroscopic properties. Traditionally, microplane formulation was based on Volumetric-Deviatoric-Tangential split and macroscopic strain tensor was derived using the principle of complementary virtual work. It has been shown that this formulation might violate the second law of thermodynamics in some loading conditions. Here, a free energy potential is defined at the microplane level. Integrating this potential over all orientations provides the macroscopic free energy. Based on this free energy, a new formulation based on Volumetric-Deviatoric split is proposed. These formulations in a thermodynamic framework capture the behavior of shape memory alloys that will maintain the second law of thermodynamic. The new formulation based on V-D split is compared numerically with V-D-T split in uniaxial and pure torsion. In order to extract material parameters, experimental works are essential. So, the superelastic response of NiTi shape memory alloys under various loading conditions is experimentally studied using thin-walled tube specimens. In addition to proportional loading, several non-proportional loading experiments based on both stress/strain control modes are conducted. Furthermore, several combined tension-torsion experiments are conducted, and the coupling between tension and torsion in NiTi tubes is investigated. The proposed model is validated with experimental data. This model is able to simulate both the shape memory effect and superelasticity. Deviation from normality is experimentally studied in nonproportional loading and is compared with proposed model. Also, cyclic behavior and asymmetric in tension and comparison is investigated by proposed model and are compared with experimental work. The good agreement seen between the results indicates the reasonable accuracy of the proposed microplane approach in studying the SMA behaviors at different conditions. In continue; propose model is extended to capture anisotropic behavior in SMAs. Coupling between tension and torsion is another issue that is experimentally studied and is compared with microplane model. A numerical procedure is developed to implement the proposed model as a user material subroutine (UMAT) in the nonlinear finite element software ABAQUS/Standard commercial code. Several real case such as NiTi spring and Retrograde blade are simulated based on the proposed model. Regarding these results, proposed model can be used to simulate various SMA applications. Keywords : Shape memory alloys; Microplane model; Thermodynamically-consistent framework; Volumetric-Deviatoric split; Multiaxial loading; Experimental work.
: مواد هوشمند افق تازه ای از علم را در برابر بشر گشوده اند و توجه به آن ها رویاهای دیرینه ای از بشر را تحقق خواهد بخشید. آلیاژهای حافظه دار جزء جدیدترین دسته از مواد هوشمند به شمار می روند. مهمترین ویژگی این آلیاژها آن است که چنانچه تا دمای خاصی حرارت ببینند می توانند کرنش های ماندگار ایجاد شده در اثر بارگذاری را آزاد کرده و شکل اولیه خود را باز یابند. توانایی تغییرشکل این آلیاژها بوسیله گرم و سردشدن بدون حضور نیرو و همچنین کاربرد روزافزون این مواد در صنایع مختلف باعث شده تا پژوهشگران و صنعتگران جهت شناخت کافی و دقیق از این مواد دست به مدل سازی بزنند. در گذشته با توجه به کاربرد وسیع آلیاژهای حافظه دار در حالت تک محوری و تحت بارگذاریهای محوری توجه بسیار زیادی به توسعه مدلها در بارگذاری کششی و تک محوره شده بود. اما امروزه با توجه به کاربردهای وسیع این مواد تحت بارگذاری های پیچشی و پیچیده، توسعه مدلهای سه بعدی در بارگذاریهای چندمحوره مورد توجه بسیار زیادی قرار گرفته است. جهت توسعه مدلها شناخت دقیق رفتار آلیاژهای حافظه دار تحت این بارگذاری ها و انجام تستهای مربوطه از اهمیت ویژه ای برخوردار است. اکثر مدلهای ساختاری ارائه شده برای این مواد حاوی پارامترهای زیادی هستند که بعضا غیرقابل اندازه گیری و یا بدون مفهوم فیزیکی می باشند. همچنین برخی از آنها قادر به مدل سازی تمامی رژیم های رفتاری این گونه آلیاژها نیستند. هدف از این رساله ارائه مدلی سه بعدی بر پایه تئوری میکروصفحه است که به رفتار خاصی از آلیاژ محدود نبوده و دارای پارامترهایی بوده که با تستهای آزمایشگاهی ساده قابل اندازه گیری باشند. همچنین مدل پیشنهادی در فضای سازگاری ترمودینامیک برای کرنش های کوچک اصلاح گردیده است. مدل پیشنهادی علاوه بر شبیه سازی رفتار سوپرالاستیک، توانائی شبیه سازی رفتار حافظه داری را نیز دارد. توانائی در بارگذاری چرخه ای واثبات انحراف از قانون تعامد در بارگذاریهای غیرتناسبی و عدم تقارن در کشش و فشار نیز از دیگر ویژگی های این مدل می باشد. در این رساله به طور مبسوط مدل پیشنهادی در بارگذاریهای چندبعدی و غیرتناسبی مورد بررسی قرار می گیرد. با توجه به اطلاعات محدود و بعضا ناقص ارائه شده در کارهای آزمایشگاهی، تستهای مختلفی بر روی تیوب حافظه دار NiTi انجام گرفت تا به جای کالیبره کردن مدل با کارهای آزمایشگاهی قبلی با داشتن پارامترهای ماده که همگی از طریق تست قابل اندازه گیری می باشند، اعتبار و صحت مدل بررسی گردد. همچنین رفتار ناهمسانگردی این مواد نیز به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه و با روابط اصلاح شده میکروصفحه مورد بررسی کمی و کیفی قرار گرفته است. در انتها نیز زیربرنامه "یومت" مربوط به این فرمولاسیون در بسته نرم افزاری آباکوس برای چندین کاربرد واقعی مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کلیدی: آلیاژهای حافظه دار، بارگذاریهای چندمحوره، تئوری میکروصفحه، سازگاری ترمودینامیک، رفتار سوپرالاستیک، رفتار حافظه داری، بارگذاری چرخه ای، انحراف از قانون تعامد، بارگذاریهای غیرتناسبی، نتایج آزمایشگاهی.