23083

بررسي رفتار كمانشي تيرهاي كامپوزيتي هيبريد با سيم‌هاي حافظه‌دار

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

1396

1399/7/23

دكتر فتح اله طاهري بهروز

مكانيك

آلياژهاي حافظه‌دار به دليل خاصيت حافظه‌داري و تبديل فاز در آن‌ها، در سازه‌هاي كامپوزيتي استفاده مي‌شوند، كه با توجه به كاربرد آن‌ها در صنايع هوافضا، مهندسي پزشكي، رباتيك، خودرو و ديگر رشته‌هاي مهندسي، شناخت خواص و مكانيزم‌هاي رفتاري آن‌ها بسيار حائز اهميت است. استفاده از الياف پيش-كشيده شده آلياژ حافظه‌دار و فعال‌سازي آن‌ها درون كامپوزيت، باعث ايجاد تنش القايي در كامپوزيت زمينه مي‌شود. يكي از مزاياي تنش القايي ايجاد شده توسط آلياژ حافظه‌دار، بهبود رفتار كمانشي سازه‌ي كامپوزيتي است. در اين پژوهش ابتدا تئوري‌هاي تحليلي براي بررسي پديده كمانش در تيرهاي كامپوزيتي هيبريد با آلياژ حافظه‌دار معرفي شده‌است. در فرضيات حل تحليلي تير پيش از بارگذاري به صورت كامل و بدون نقص در نظر گرفته شده‌است و معادلات غيرخطي تير بر اساس تئوري تغيير شكل برشي مرتبه بالا و با در نظر گرفتن كرنش غيرخطي فن-كارمن براي تغييرشكل‌هاي بزرگ استخراج شده‌است. تنش القايي ايجاد شده در حين فرآيند تغيير فاز مارتنزيتي در آلياژهاي حافظه‌دار مقيد شده، با استفاده از مدل يك‌بعدي برينسون محاسبه شده است. تاثير پارامترهاي مختلفي ازجمله نسبت كسر حجمي سيم به ماده زمينه، مقدار كرنش اوليه سيم حافظه‌دار، دماي فعال‌سازي سيم حافظه‌دار، شرايط مرزي تير، ترتيب لايه‌چيني و مشخصات هندسي مسئله بر رفتار كمانشي تير كامپوزيتي هيبريد با آلياژ حافظه‌دار، بررسي شده‌است. نتايج نشان مي‌دهد كه حتي با اضافه كردن كسر حجمي كوچكي از آلياژ حافظه‌دار به تير كامپوزيتي دماي بحراني كمانش مقدار قابل توجهي افزايش و خيز تير كاهش خواهد يافت. مثلا با اضافه كردن %5 آلياژ حافظه‌دار به تير كامپوزيتي با لايه‌چيني (90/90/0SMA)S و با شرايط مرزي دو سر گيردار، دماي بحراني حدود %26 افزايش مي‌يابد. علاوه بر اين، استفاده از تئوري تغيير شكل برشي مرتبه بالا بر روي لايه‌چيني پادمتقارن، به‌ويژه براي تيرهاي ضخيم، تأثير زيادي دارد و براي لايه‌چيني پادمتقارن با كسر حجمي %30 و پيش‌كرنش %1 مقدار دماي بحراني بدست آمده از تئوري تغييرشكل برشي مرتبه بالا به ميزان %21 كمتر از بار بحراني بدست آمده از تئوري تغييرشكل برشي مرتبه اول مي‌باشد. در ادامه، با استفاده از روش اجزاي محدود به بررسي اثرات فعال‌سازي سيم حافظه‌دار در كامپوزيت زمينه گرافيت/اپوكسي با لايه‌چيني (90/90/0SMA)S و با استفاده از زير روال UMAT پرداخته شده است. نتايج عددي و تحليلي همخواني خوبي را نشان مي‌دهند.

1399/11/05

Evaluation of Buckling Behavior of Shape-Memory Wires Hybrid Composite Beams

10/14/2020 12:00:00 AM

Shape Memory Alloys are utilized in composite structures due to their shape memory effect and phase transformation which the recognition of their properties and behavioral mechanisms is of paramount importance due to their application in the aerospace industry, medical engineering, robotics, automotive, and other engineering fields. Using pre-strained SMA fibers in the composite and activating them, causes induced stress in the matrix composite. One of the benefits of the induced stress produced by SMA is the improvement in the buckling behavior of the composite structure. In this study, analytical theories of buckling investigation in SMA hybrid composite beams have been introduced initially. The beam has been assumed to be perfect and without any imperfection before loading and nonlinear equations of the beam has been extracted based on high-order shear deformation theory and considering Von- Karman nonlinear strain for large deformations. The induced stress created during the martensite phase transformation process in restrained SMAs has been calculated using Brinson's one-dimensional model. Moreover, the effect of parameters such as the ratio of the volumet fraction of the wire to the matrix material, the initial level of strain in the SMA wire, SMA wire’s activation temperature, boundary conditions of the beam, stacking sequence of lay-up , and geometrical properties, has been evaluated on buckling behavior of SMA hybrid composite beam. The results indicate that even by addition of a small volume fraction of SMA to the composite beam, the buckling critical temperature increases significantly and the deflection of the beam decreases. For example, the critical temperature increases approximately by 26% with adding 5% of SMA to the composite beam with (90/90/0SMA)S lay-up and clamped-clamped boundary condition. Also, using high-order shear deformation theory has a great influence on antisymmetric lay-up especially in thick beams. According to the results for antisymmetric lay-up with 30% volume fraction and 1% pre-strain, the amount of the critical temperature obtained from high-order shear deformation theory is 21% lower than that of obtained from first-order shear deformation theory. Furthermore, the effect of SMA activation in the graphite/epoxy composite with the layup of (90/90/0SMA)S was investigated using the UMAT subroutine by finite element method and a good agreement was observed between numerial and analytical results.

آلياژ حافظه‌دار , كامپوزيت هيبريد با آلياژ حافظه‌دار , اثر حافظه‌داري , كمانش , تئوري تغيير شكل برشي مرتبه بالا

Shape-memory alloy , Shape-memory alloy hybrid composite , Shape-memory effect , buckling , higher order shear deformation theory