25622

بررسي تئوري و تجربي رفتار پاد خم ش تي ر - ستو نه اي آلياژحافظه دا ر

دكتري

مهندسي مكانيك

1400

1400/08/19

فتح اله طاهري بهروز

مهندسي مكانيك

آلياژهاي حافظه دار به دليل دو ويژگي منحصر به فرد پديده حافظه شكلي و سوپرالاستيسيته ، طيف وسيعي از تحقيقات و كاربردهاي نوين را به خود اختصاص داده‌اند. از جمله اين كاربردهاي نوين، استفاده در بارگذاري هاي تحت نيروهاي خمشي و كنترل رفتار كمانش و همچنين افزايش ظرفيت تحمل نيرو در پايداري سازه‌ها مي‌باشد. يكي از پركاربردترين سازه‌هايي كه تحت حوزه تنش‌هاي خمشي و فشاري قرار دارد، سازه تير- ستون مي‌باشد. به همين منظور استفاده از آلياژهاي حافظه دار در اين نوع سازه به سبب تأخير در بروز پديده كمانش، عمدتاً به دو صورت مورد توجه واقع شده است. اول آنكه الماني از قبيل سيم يا فنر در سازه مورد استفاده قرار مي‌گيرد. دومين نوع كاربرد، آن است كه خود سازه از جنس آلياژ حافظه دار باشد. در كاربرد اول، اكثراً استفاده از ويژگي حافظه شكلي آلياژ اهميت مي‌يابد كه با اعمال حرارت يا جريان الكتريكي ناپايداري به تأخير مي‌افتد. همچنين در نوع دوم كاربرد استفاده از ويژگي سوپر الاستيسيته بيشتر به دليل وجود نيروهاي بازيافتي مورد توجه قرارگرفته است و كمتر از ويژگي حافظه شكلي استفاده مي‌شود كه اين محدوديت عمدتاً به دليل نيازمند بودن ويژگي حافظه شكلي به اعمال حرارت است. اما مي‌توان آلياژ حافظه دار را تحت پديده حافظه شكلي بدون اعمال حرارت به‌گونه‌اي آماده سازي نمود كه با اعمال فشار نه تنها سازه كمانش نيابد بلكه سازه پايدارتر نيز گردد كه اين رفتار به پديده پادخمشي شناخته مي شود. لذا هدف اصلي از اين پژوهش، مدلسازي تحليلي رفتار پادخمشي تير- ستون‌هاي آلياژ حافظه‌دار مي‌باشد. در اين بررسي ستون داراي انحناي اوليه تحت نيروي محوري فشاري قرار گرفته و با اعمال نيرو رفته رفته از خيز جانبي آن كاسته مي‌شود و در نهايت سازه صاف مي‌گردد. به منظور مطالعه بازگشت خيز جانبي با افزايش هر نموي از نيروي فشاري محوري، ابتدا مدلسازي تحليلي انجام مي گيرد و سپس به منظور راستي آزمايي نتايج تحليلي مطالعات تجربي نيز صورت مي‌پذيرد. بر اساس آزمون‌هاي مشخصه يابي، ابتدا مدل يك بعدي كه قادر به توصيف رفتار نامتقارن ماده در كشش و فشار مي باشد، ارائه مي‌گردد. سپس معادلات حاكم بر رفتار خمش خالص تير-ستون آلياژ حافظه دار استخراج مي شود. بر اساس حل صورت يافته، خمش عمومي براي تير- ستون تحت بارگذاري عرضي دلخواه تعميم پيدا مي‌كند. بر اساس معادلات بدست آمده، خيز تير در حالت بارگذاري و باربرداري براساس پارامترهاي مادي و هندسي سازه تعيين مي‌گردد و همچنين روابط انحنا- ممان خمشي، نيروي محوري- خيز تير بدست آورده مي‌شود. همچنين معادلات حاكم بر رفتار پديده پادخمشي به ازاء هر نموي از بارگذاري محوري فشاري استخراج مي‌شود. با توجه به مدلسازي صورت يافته، مي‌توان خيز تير در مرحله اعمال بارگذاري عرضي را بدست آورد و همچنين انحناي باقيمانده در آن را محاسبه نمود. سپس با استفاده از تئوري پادخمشي، مقدار نيروي محوري مورد نياز در بازگشت خيز جانبي تير نيز به صورت كاملاً تحليلي تعيين مي گردد.

1400/09/13

Theoretical and Experimental Study on the Anti-Bending of SMA Beam-Columns

11/10/2022 12:00:00 AM

Shape memory alloys (SMAs) are a type of smart material that have unique characteristics known as pseudo-elasticity (PE) and shape memory effect (SME). In most SMA structures, the main deformation mode is bending or buckling, and it can be analyzed using beam theory. In order to fully develop the SME feature in industrial devices, a precise attention to the capability of recovering strain due to the martensite transformation is of considerable importance. Phase transformation and detwinning process can be induced either thermally or athermally, so there are at least two types of applications. First, embedding SMA elements in polymeric or metallic matrices and then heating to a higher temperature to recover their original shape and generate stress recovery. Second, using SMA structures and then applying external stress. In the latter, in SME beams, a mixture of martensitic variants can be reoriented into a single variant to generate inelastic strains. Then deformed shape of the structures can be recovered by applying axially compressive load; it is named ‘Twinning Deformation effect’ (TD-effect). The origin of this effect roots in the inhomogeneous stress states and mechanically induced twin-twin phase transformations. The present thesis is an analytical and experimental study on the prismatic SME beam-columns to exhibit TD-effect. We try to obtain the required forces and moments (during loading and unloading) to prepare an SME beam-column to display TD-effect. Moreover, the required force to recover the strains and deflection of a curved SME beam-columns are determined. To this end, an SME beam-column is subjected to an axially compressive load, and then a pure bending problem for this pre-strained SME beam is solved. Based on the pure bending solution, general bending equations of prismatic SME beam-columns under transverse loading are completely derived. Applying semi-analytical and numerical methods, deflection along the beam length is acquired. Moreover, minimum axially compressive load is obtained to recover inelastic strains and straighten the deformed SME beam-columns.

كليد واژه: مدلسازي تحليلي، بررسي تجربي، تير- ستون، پديده پاد خمشي، آلياژ حافظه دار

Keywords: analytical solution, bending problem, twinning deformation effect, anti-buckling, prismatic SMA beam-column