Skip to main content
SUPERVISOR
Abbas Ghaei,Mahmoud Kadkhodaei
عباس قائی (استاد مشاور) محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammadreza Karamoozravari
محمدرضا کارآموز راوری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Constitutive modeling of cellular shape memory alloys using microplane method
: Nowadays, cellular materials have found several industrial applications due to exceptional properties such as low weight and high strength. During last decades, shape memory alloys have attracted attention of researchers because of outstanding mechanical and biological properties, and attempts for fabricating cellular samples of these materials get increased. Cellular shape memory alloys combine the advantages of both cellular materials and shape memory alloys which makes them promising candidates for several industrial applications. Since fabrication and characterization of cellular shape memory alloys is time consuming and expensive, developing powerful modeling approaches to predict their mechanical properties is of great importance. The main aim of this thesis is to develop a suitable modeling approach for predicting the mechanical response of shape memory alloys cellular lattice structures. To do so, three main steps are followed. First, modeling of the mechanical response of general cellular lattice structures are investigated and the effects of bulk material as well as microstructural imperfections are assessed. The results of these investigations show that both bulk material and microstructural imperfections can severely affect the mechanical response of these materials. However, considering these imperfections in geometric models can significantly increase the computational cost. To compel these difficulties, a computationally efficient modeling approach is proposed and validated by experimental findings. In the second step, a three-dimensional constitutive model is presented based on microplane theory. Then, this model is extended to take material asymmetry into account. After validating the proposed constitutive equation through uniaxial tension-compression tests as well as four-point bending of NiTi tubes, in the third step, the effects of this material asymmetry as well as microstructural imperfections on the mechanical response of cellular samples are assessed. The results of these assessments show that both the imperfections and material asymmetric response affects the mechanical response of cellular shape memory alloys. In addition, the effects of material asymmetry are decreased by decreasing the value of porosity and increasing the portion of axial deformation mechanisms. Keywords Shape memory alloys, Porous materials, Cellular materials, Constitutive model, Tension-compression asymmetry, Microstructural imperfections, Microstructural defects.
امروزه مواد سلولی به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی چون وزن اندک، استحکام زیاد، توانایی جذب انرژی بالا و مشخصات مکانیکی قابل تنظیم به‌طور گسترده در صنایع مختلف مانند صنایع هوایی، صنایع خودروسازی، جاذب‌های ارتعاش، صنایع پزشکی و عایق‌های حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. طی چند دهه گذشته، آلیاژهای حافظه‌دار به‌علت دارا بودن خواصی چون زیست‌سازگاری، حافظه‌داری، قابلیت جذب انرژی ، سوپرالاستیک بودن و مقاومت در مقابل خوردگی مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته و تلاش‌ها برای تولید نمونه‌های سلولی از این مواد روز به روز در حال گسترش است. آلیاژهای حافظه‌دار سلولی به دلیل دارا بودن خواص یک ماده سلولی از یکسو و خواص یک آلیاژ حافظه‌دار از سوی دیگر کاربردهای فراوانی در عرصه پزشکی و صنایع مختلف یافته‌اند و این کاربردها روز به روز افزایش می‌یابند. با توجه به گران و وقت‌گیر بودن روش‌های تولید آلیاژهای حافظه‌دار سلولی توسعه مدل‌هایی که بتوانند خواص مکانیکی این مواد را به‌صورت تابعی از هندسه آن‌ها پیش‌بینی کنند بسیار حائز اهمیت خواهد بود. در این رساله هدف کلی، ارائه روشی مناسب برای مدلسازی ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار مشبک، که حالتی خاص از یک ماده سلولی می‌باشد، است. برای رسیدن به این هدف سه گام اصلی در نظر گرفته می‌شود. در گام نخست به مدلسازی مواد مشبک با رفتار ماده بالک الاستیک-پلاستیک عادی پرداخته شده و اثرات ماده بالک سازنده و وجود بی‌نظمی‌ها و عیوب هندسی بر رفتار مکانیکی این مواد مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. نتایج این تحلیل‌ها نشان می‌دهد که دو پارامتر ماده بالک و عیوب هندسی می‌توانند به‌طور قابل ملاحظه‌ای خواص مکانیکی مواد مشبک را تحت تاثیر قرار دهند. هرچند که لحاظ کردن عیوب هندسی به رسیدن به پاسخ‌های دقیق‌تر کمک می‌کند اما به شدت بر حجم محاسبات مورد نیاز می‌افزاید. برای غلبه بر این مشکل یک مدل محاسباتی کارآمد جهت مدلسازی مواد مشبک ارائه شده و با استفاده از داده‌های تجربی صحت‌سنجی می‌گردد. در گام دوم یک معادله ساختاری سه‌بعدی متقارن برای بیان رفتار ترمومکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار چگال بر مبنای روش میکروصفحه ارائه می‌گردد. سپس این مدل ساختاری به‌گونه‌ای تعمیم داده می‌شود که بتواند عدم تقارن مادی در کشش و فشار را نیز مدل کند. پس از آنکه معادله ساختاری پیشنهادی با استفاده از داده‌های تجربی موجود در بارگذاری تک‌محوره در رژیم‌های سوپرالاستیک و فروالاستیک و بارگذاری خمش خالص صحت‌سنجی گردید، چندین نمونه متخلخل و مشبک با استفاده از روابط ساختاری متقارن و نامتقارن مدلسازی شده و اثرات عدم تقارن مادی و وجود بی‌نظمی‌ها و عیوب هندسی بر پاسخ مکانیکی ماده مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. نتایج این تحلیل‌ها نشان می‌دهد که وجود بی‌نظمی و عیوب هندسی خواص مکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار متخلخل و مشبک را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد و هرچه این عیوب دقیق‌تر مدل شوند نتایج مدلسازی با نتایج تجربی همخوانی بهتری خواهند داشت. برای نمونه‌های مشبک از جنس نایتینول استفاده از مدل کارآمد محاسباتی برای وارد کردن عیوب هندسی، حداکثر خطای منحنی تنش-کرنش را حدود 20 درصد کاهش می‌دهد. این در حالیست که مدل دارای عیب به کاهش حداکثر خطا تا 32 درصد منجر خواهد شد. از سوی دیگر بررسی تاثیر عدم تقارن مادی بر پاسخ مکانیکی نمونه‌های مشبک نشان می‌دهد که میزان تاثیر عدم تقارن مادی بر رفتار مکانیکی این مواد تابعی از هندسه ریزساختاری ماده و میزان تخلخل آن می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد که هرچه سهم بارگذاری محوری در مکانیزم‌های تغییرشکل ماده مشبک مورد بررسی بیشتر باشد اثرات عدم تقارن مادی کمتر خواهد بود. لغات کلیدی: آلیاژهای حافظه‌دار، مواد متخلخل، مواد مشبک، معادله ساختاری، عدم تقارن مادی، بی‌نظمی هندسی، عیوب هندسی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی