23403

بررسي تجربي خواص مكانيكي پليمر تقويت شده با آلياژ حافظه دار تحت اثر نرخ كرنش پايين

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي

97-99

1400/01/29

پروفسور محمود مهرداد شكريه

علم و صنعت ايران

هدف از تحقيق حاضر، بررسي تجربي خواص مكانيكي پليمر تقويت‌شده با آلياژهاي حافظه¬دار تحت اثر نرخ كرنش پايين مي‌باشد. باتوجه به اينكه مشخصه‌يابي خواص مكانيكي مواد كامپوزيتي تحت نرخ‌هاي بارگذاري مختلف، كاري دشوار، پرهزينه و زمان‌بر مي‌باشد، لذا يك مدل مايكرومكانيكي وابسته به نرخ كرنش نيز براي پليمر تقويت‌شده با آلياژ حافظه‌دار توسعه داده شده است. براي توسعه يك مدل مايكرومكانيكي وابسته به نرخ كرنش، از قانون اختلاط استفاده شد. ابتدا از يك معادله ساختاري وابسته به نرخ كرنش، براي پيش‌بيني رفتار مكانيكي پليمر خالص استفاده و سپس با استفاده از معادلات ساختاري آلياژ حافظه‌دار يك معادله وابسته به نرخ كرنش جهت پيش‌بيني رفتار مكانيكي آلياژ حافظه‌دار ارائه ‌شد. به منظور محاسبه خواص مكانيكي پليمر تقويت شده با سيم حافظه دار تحت يك نرخ كرنش اعمالي، نحوه توزيع كرنش اعمال شده بر اجزاي سازنده آن محاسبه شد. مهم‌ترين پارامترهاي دخيل در اين مدل پيشنهادي نرخ بارگذاري، كسر حجمي آلياژ حافظه‌دار و پيش‌كرنش اعمال شده به سيم‌هاي آلياژ حافظه‌دار مي‌باشد. به منظور ارزيابي مدل پيشنهادي، آزمايش‌هايي به روش طراحي آزمايش‌ها جهت بررسي و مطالعه تاثير نرخ كرنش بر خواص مكانيكي پليمر تقويت‌شده با سيم‌هاي آلياژ حافظه‌دار طراحي و اجراء گرديد. بر اساس مدل تاگوچي، نمونه‌هاي پليمري تقويت‌شده با دو رشته سيم‌ آلياژ حافظه‌دار داراي 4 درصد پيش كرنش و بدون پيش‌كرنش، نمونه‌هاي پليمري تقويت‌شده با چهار رشته سيم‌ آلياژ حافظه‌دار داراي 4 درصد پيش‌كرنش و بدون پيش‌كرنش در نرخ‌هاي بارگذاري 2، 25، 50 و 100 ميليمتر بر دقيقه آزمايش شده و براي ارزيابي مدل پيشنهادي، نتايج آزمايشگاهي و پيش‌بيني شده مقايسه گرديدند. مقايسه نتايج آزمايشگاهي و پيش‌بيني شده نشان مي‌دهد كه مدل مايكرومكانيكي وابسته به نرخ كرنش از دقت قابل قبولي براي تخمين خواص مكانيكي پليمر تقويت شده با آلياژ حافظه‌دار برخوردار است. با بررسي نتايج و پارامترهاي تاثيرگذار در مدل مايكرومكانيكي، مشاهده مي‌شود كه افزايش نرخ بارگذاري، افزايش مدول الاستيك قطعات را به همراه داشته است. همچنين در خصوص كسر حجمي تقويت‌كننده مشاهد شد هرچه تعداد سيم‌ها بيشتر باشد،كسر حجمي تقويت‌كننده بيشتر مي‌شود و مدول الاستيك كامپوزيت افزايش پيدا مي‌كند. اما در ارتباط با اثر پيش‌كرنش، اين پارامتر تاثير چشم‌گيري در تغييرات مدول الاستيك ندارد.

1400/02/07

Experimental study of mechanical properties of polymer reinforced with SMA at low strain rates

4/18/2021 12:00:00 AM

The present research was aimed to experientially investigate the mechanical properties of shape-memory alloy reinforced polymers under the effect of low strain rate. Since characterization of mechanical properties of composite materials under different loading rates is a difficult, costly and time-consuming process, therefore, a micro-mechanical model dependent on strain rate has also been developed for polymer reinforced shape-memory alloy. The role of mixture was used to develop a micromechanical model dependent on the strain rate. First, a strain rate-dependent structural equation was used for predicting the mechanical behavior of the pure polymer, and then a strain rate dependent equation was provided for predicting the mechanical behavior of shape-memory alloy by using the conctitutive equations of the shape-memory alloy. In order to calculate the mechanical properties of shape-memory alloy wire reinforced polymer under an applied strain rate, the distribution of the strain applied to its constituents was calculated. The most important parameters involved in the proposed model are loading rate, the volume fraction of shape-memory alloy, and the pre-strain applied to shape-memory alloy wires. To investigate the proposed model, a number experiments were designed and conducted by experimental design method in order to investigate and study the effect of strain rate on mechanical properties of shape-memory alloy wire reinforced polymers. Based on the Taguchi model, polymers reinforced with two shape-memory alloy wires with 4% pre-strain and without pre-strain were experimented at 2, 25, 50, and 100 mm/min and, then, the laboratory and predicted results were compared to investigate the proposed model. The comparison of experimental and predicted results suggests that the strain rate-dependent micro-mechanical model has an acceptable accuracy for estimating the mechanical properties of shape-memory alloy reinforced polymer. By investigating the results and parameters effective on the micro-mechanical model, it can be observed that increasing the loading rate has led to increase in the elastic modulus of the parts. Furthermore, regarding the volume fraction of the reinforcer, it was seen that the more the wires are, the higher the volume fraction of the reinforcement will occure, and the elastic modulus of the composite will be increased. However, the pre-strain does not have a significant impact on the elastic modulus changes.

كامپوزيتهاي پليمري , سيمهاي آلياژهاي حافظهدار , پليمرهاي تقويت‌شده با آلياژهاي حافظه¬دار , نرخ كرنش , قانون اختلاط

Polymer composites , Shape-memory alloys , Composite reinforced with memory alloys , Strain rate , Rule of mixtures