Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Kadkhodaei
محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Reza Mohammadzadeh
محمدرضا محمدزاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Torsion Fatigue Analysis of Shape Memory Alloys
: Shape memory alloys (SMAs) are a class of smart materials with the intrinsic properties of shape memory effect (SME) and pseudoelasticity (PE) due to their solid-solid martensitic phase transformations under various thermomechanical loadings. The pure torsional low cycle fatigue of pseudoelastic shape memory bars in different rotational speeds (i.e. frequency) is studied in this thesis. Indeed, the research domain is confined to pure torsion, low cycle fatigue and pseudoelasticity. Other subjects such as uniaxial or high cycle fatigue and SME either are studied adequately or require no particular investigations. One of the drawbacks in studying cyclic behavior of these alloys is the absence of a capable constitutive model to predict their behavior; thus, most of the available results have been experimentally achieved. In this regard, the only existent and used constitutive model is formed on the base of experimental observations and not in a continuum framework. This model has predicted fatigue life with the use of a parameter called stabilized dissipated energy. On the other hand, there is a lack of constitutive relation to correlate stress and strain in different loading conditions, for instance torsion, bending or 3-D loadings in general since most of the models are developed for uniaxial tensile loadings. In the present work, an enhanced extended one-dimensional constitutive model is assumed to describe the shear stress-strain response by means of von-Mises yield criterion. In other words, the concepts of effective stress and strain are properly employed to derive shear stress-strain relation based on a 1-D model for axial loadings. Moreover, a fully-coupled thermomechanical model which is presented in a continuum framework is employed to predict the sample behavior, and results of this model are compared with experimental findings to verify the model. As a result, a relation for fatigue life of the studied SMA is generated with the stabilized dissipated energy’s formula, and the numerical results are shown to be in a good agreement with experimental data indicating validity of the proposed approach. Finally, the influence of the test parameters such as angle of rotation, temperature, specimen geometry and loading frequency on the fatigue life are investigated Keywords: Shape memory alloys, Fatigue life, Low cycle fatigue, Stabilized dissipated energy, Loading frequency, Torsional loading, Pseudoelasticity.
آلیاژ های حافظه دار به عنوان زیر مجموعه ای از مواد هوشمند، بیشتر با خاصیت شگفت انگیز به خاطر سپردن شکل اولیه و توانایی بازیابی آن شناخته شده اند و به همین دلیل، این نام به آنها نسبت داده شده است. با این وجود، خواص متمایز دیگری نظیر تحمل کرنش های زیاد در محدوده ی الاستیک و یا مقاومت قابل توجه در برابر خوردگی و خستگی در قیاس با سایر فلزات عادی، سبب کاربرد روز افزون این آلیاژ ها در صنایع هوافضا، پزشکی، خودروسازی و رباتیک شده است. فقدان اطلاعات مهندسی مدون از آلیاژ های حافظه دار به دلیل پیچیدگی رفتار و نو ظهور بودن این آلیاژ ها، به عنوان مانعی جدی در گسترش کاربرد های آن در صنایع گوناگون تلقی می شود. از این رو، مطالعه ی خواص آلیاژ های حافظه دار توجه محققان زیادی را در سال های اخیر به خود معطوف کرده و اخیراً نیز بررسی خستگی و عوامل موثر بر آن در دستور کار پژوهش گران زیادی قرار گرفته است. بنابراین، در پژوهش حاضر خستگی کم چرخه ی آلیاژ های حافظه دار تحت بارگذاری شبه الاستیک پیچشی خالص به عنوان یک بارگذاری بسیار متداول، در نرخ های مختلف بارگذاری مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. مقید کردن دامنه ی مطالعه به سه صفت پیچشی، کم چرخه و شبه الاستیک ناشی از اقناع نسبی حوزه ی خستگی کششی و رفتار عادی (مشابه سایر فلزات) این آلیاژ ها در خستگی پر چرخه و سایر بارگذاری ها است. در واقع از آنجایی که رخداد استحاله مسبب بروز رفتاری متمایز در این آلیاژ ها نسبت به دیگر فلزات شده است، بایستی شرایطی تحت بررسی قرار گیرند که در آنها استحاله حضور فعالی داشته باشد. از طرفی، این استحاله ی فازی باعث ایجاد تغییراتی محسوس دمای جسم می شود؛ بنابراین فرکانس یا به عبارتی سرعت بارگذاری در پاسخ تنش- کرنشی این مواد و همچنین عمر خستگی آنها تاثیرات به سزایی دارد و بایستی اثر آن به صورت ویژه مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد. به دلیل نوپایی تحقیقات در باب آلیاژ های حافظه دار، خلائی جدی در بحث مدل های پیش بینی رفتار چرخه ای این مواد و همچنین روابط ساختاری در بارگذاری های غیر کششی اعم از پیچش، خمش و به صورت کلی بارگذاری سه بعدی وجود دارد. در همین راستا، در پژوهش حاضر پیش از هرگونه اقدامی در باب خستگی، ابتدا با تعمیم یک مدل ساختاری در کشش ساده، رابطه ای سازگار میان تنش و کرنش برشی استخراج شده است. سپس با استفاده از یک مدل ترمومکانیکی کوپله، در چارچوب مکانیک محیط های پیوسته پاسخ تنش- کرنش برشی نمونه های استوانه ای اعم از توپر و توخالی به ازای سرعت های مختلف بارگذاری به دست آمده است. پس از این مرحله، با تغذیه ی پاسخ های حاصل از مدل ترمومکانیکی کوپله به مدلی که انرژی اتلافی پایدار شده یا همان سطح زیر منحنی گشتاور- زاویه را به عمر خستگی مرتبط می سازد، رابطه ای میان عمر خستگی و انرژی اتلافی پایدار شده به ازای هر فرکانس حاصل می شود. شایان ذکر است که در هر دو مرحله ی تعمیم کشش به پیچش و پیش بینی عمر خستگی، داده های آزمایشگاهی برای صحت سنجی نتایج و ارزیابی دقت مدل ها در نظر گرفته شده است. در پایان، به کمک مدل توسعه یافته برای پیش بینی عمر خستگی، نحوه ی اثر گذاری عوامل ورودی آزمایش خستگی شامل زاویه ی پیچش، دما، ابعاد نمونه و فرکانس بارگذاری بر عمر خستگی نمونه مطالعه شده است. کلمات کلیدی: 1- آلیاژ های حافظه دار 2- تخمین عمر خستگی 3- خستگی کم چرخه 4- انرژی اتلافی پایدار شده 5- فرکانس بارگذاری 6- بارگذاری پیچشی 7- بارگذاری شبه الاستیک

ارتقاء امنیت وب با وف بومی