Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Kadkhodaei,Mohammad Mashayekhi,Bijan Boroomand
محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما) محمد مشایخی (استاد راهنما) بیژن برومندقهنویه (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hojjat Allah Badnava
حجت اله بادنوا

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390

TITLE

A non-local implicit gradient-enhanced model for thermo-mechanical behavior of shape memory alloys
Shape memory alloys (SMAs) are a group of smart materials which can recover their shape even after severe deformations. Hence, they are extensively used in various areas such as medical appliances, automotive engineering, robotics, and aerospace. The mechanism of the shape recovery ability is based on the solid-to-solid phase transformation between martensite and austenite phases which can be induced by changes in either temperature or stress. In this thesis, a gradient-enhanced 3-D phenomenological model for shape memory alloys using the non-local theory is developed based on a 1-D constitutive model. The method utilizes a non-local field variable in its constitutive framework with an implicit gradient formulation in order to achieve results independent of the finite element discretization. An efficient numerical approach to implement the non-local gradient-enhanced model in finite element codes is proposed. Based on the implicit radial return scheme, a robust integration scheme is proposed using which the model is implemented in ABAQUS commercial finite element code through a user element subroutine (UEL). The model is used to simulate stress drop at the onset of transformation, and its performance is evaluated using different experimental data. The potential of the presented numerical approach for behavior of shape memory alloys in eliminating mesh-dependent simulations is validated by conducting various localization problems. The numerical results show that the developed model can simulate the observed unstable behaviors such as stress drop and deviation of local strain from global strain during nucleation and propagation of martensitic phase. Moreover, the conducted finite element simulations represent that the inherent mesh sensitivity of the numerical simulation in the presence of softening phenomenon can be removed. This is a significant advantage while using the gradient-dependent model. Finally, various material instabilities of SMAs such as softening and divergence of local–global strain are simulated using the proposed non-local model. Also, influence of loading history on the start of the phase transformation during both forward and reverse transformations is considered in the model by introducing new transformation limits and phase fraction formulations. The phase transformation in SMAs is accompanied by a release/absorption of latent heat, which can influence the temperature of the material. This dependency is due to temperature effects rather than strain rates effects. In order to develop more efficient SMAs constitutive model, considering both unstable behavior and thermo-mechanical coupling effects is necessary. Hence, the temperature effect is also simulated by extending the model to include the thermomechanical coupling of the material with its environment. Finally, based on the multiplicative decomposition of the deformation gradient into elastic and inelastic parts, the proposed small strain model is extended to finite deformation. Keywords: Shape memory alloys, Non-local model, Unstable behaviors, Finite element, Thermo-mechanical coupling
آلیاژهای حافظه دار به طور گسترده ای در صنایع مختلف از جمله اتومبیل سازی، هوافضا، الکترونیک و پزشکی کاربرد دارند. این مواد دارای خصوصیات خاص از جمله قابلیت بازگشت به شکل اولیه پس از بارگذاری ترمو – مکانیکی است. این رفتار های متفاوت منجر به کاربرد روزافزون آن ها گردیده است. نتایج تجربی نشان می دهند که آلیاژهای حافظه دار رفتارهای ناپایداری دارند. این رفتارها با استحاله فازی شروع شده و گسترش می یابند. با شروع استحاله سطح تنش تغییر ناگهانی بین تنش شروع استحاله و تنش گشترش جبهه انتقال فاز دارد. این امر ناشی از تفادت بین دو فاز است. گرادیان کرنشی ایجاد شده در محدود تبدیل فاز منجر به ایجاد جبهه انتقال فاز و تفاوت بین کرنش محلی و کرنش کلی می شود. استحاله فازی محدوده رفتار ناپایدار این آلیاژها را مشخص می کنند. در این رساله رفتارهای خاص و به ویژه پاسخ های ناپایدار آلیاژهای حافظه دار که با مدل های متعارف قابل دست یابی نیستند، مدل سازی شده است. برای این هدف، یک مدل سه بعدی آلیاژ حافظه دار به صورت پیوسته با رهیافت مدل غیر محلی گرادیانی ارائه شده است. این مدل رفتارهای ناپایدار ناشی از استحاله فازی، از جمله افت تنش، انتشار جبهه تبدیل فاز و جدایی کرنش محلی از کرنش کلی را شبیه سازی می کند. در این مدل از کل کسر حجمی مارتنزیت به عنوان متغیر غیر محلی در معادله هلمهولتز غیر محلی گرادیانی ضمنی سود برده شده است. برای حل هم‌زمان معادلات ارائه شده و معادله گرادیانی غیر محلی از روش اجزای محدود ترکیبی استفاده شده و متغیر غیر محلی کسر حجمی مارتنزیت به عنوان درجه آزادی اضافی در هر گره از المان تعریف شده است. از این رو با استفاده از یک زیر برنامه در نرم‌افزار Abaqus، المان مورد نیاز پیاده سازی شد. بر اساس روش نگاشت برگشتی و حل عددی ضمنی، الگوی انتگرال گیری معادلات ساختاری استخراج گردید. حل معادلات اساسی به صورت ضمنی انجام شده و از عملگرهای تانژانت سازگار برای حل عددی سود برده شده است. به منظور در نظر گرفتن تأثیر دمایی، معادله انرژی نیز همراه با دو معادله اساسی دیگر یعنی معادله تعادل و معادله متغیر غیر محلی، به صورت ترکیبی حل شده است. همچنین برای مدل سازی رفتار غیر خطی هندسی در شبیه سازی ها از رهیافت در مدل کرنش محدود کمک گرفته شده است. مدل غیر محلی مورد نظر حساسیت ذاتی مدل های محلی به تراکم شبکه در حل به روش اجزای محدود را تا حد زیادی کاهش می دهد. برای بررسی صحت و دقت مدل ارائه شده از نتایج آزمایش های تجربی موجود استفاده شده است. کلمات کلیدی: آلیاژهای حافظه دار، رفتارهای ناپایدار، مدل سازی غیر محلی، اجزای محدود، کوپلینگ دمایی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی

100%