پیاده سازی رفتار الکتروترمومکانیکی سیم های آلیاژ حافظه دار در نرم افزار abaqus

آلیاژهای حافظه دار دسته ای از مواد هوشمند هستند که ویژگی های منحصربه فرد حافظه داری و شبه الاستیسیته را از خود نشان می دهند. حافظه داری قابلیت بازیابی کرنش های ماندگار مکانیکی به کمک گرما است، در حالیکه شبه الاستیسیته قابلیت بازیابی کرنش های بزرگ (تا حد 8 %) در طی یک سیکل بارگذاری- باربرداری مکانیکی است. ویژگی های بی نظیر حافظه داری و شبه الاستیسیته به خاطر استحاله مارتنزیتی حالت جامد از یک فاز با تقارن و دمای بالا با نام آستنیت، به یک فاز با تقارن کم و دمای پایین با نام مارتنزیت ظاهر می شوند. این مواد تازه شناخته شده همچنین از ویژگی های دیگری نظیر نسبت نیرو به وزن بالا، زیست سازگاری، پاسخ آرام، عملکرد نرم و طولانی مدت بهره می-برند که منجر به مورد توجه قرار گرفتن آنها در بسیاری از کاربردهای مهندسی از پزشکی تا صنعت هوافضا به صورت چشمگیری گردیده است. با وجود آنکه آلیاژهای حافظه دار با شکل های متنوعی ساخته می شوند، در بسیاری از موارد به شکل سیم یا نوار مورد استفاده قرار می-گیرند. لذا شبیه سازی یک بعدی آن ها در بررسی مسائل واقعی، امری ضروری به نظر می رسد. در سه دهه ی اخیر مدل های بسیاری توسط محققان برای آلیاژهای حافظه دار ارائه شده و روش های عددی متنوعی نیز برای پیاده سازی این روابط به کارگرفته شده است. بسیاری از حل های موجود برای سیم حافظه دار به تنهایی و یا سازه های خاص و ساده شامل سیم حافظه دار قابل استفاده هستند. با توجه به اینکه سازه های هوشمند شامل سیم حافظه دار بسیار متنوع و پیچیده هستند، لذا واضح است که این حل های خاص جوابگوی نیاز بررسی این گونه مواد در چنین شرایطی نمی باشند. در کنار این حل های خاص، حل های کلی نیز وجود دارند که با مشکلاتی در بررسی رفتار آلیاژهای حافظه دار روبه رو هستند. در این تحقیق به منظور ارائه یک راهکار کلی، معادله ی یک بعدی متداولی برای آلیاژهای حافظه دار که هر دو رفتار حافظه داری و شبه الاستیسیته را در برمی گیرد، در نرم افزار تحلیل اجزای محدود آباکوس به کمک یک زیربرنامه تعریف شده است. یکی از مزیت های اساسی این زیربرنامه ترمومکانیکی، توانایی آن در بررسی هر مسیر پیچیده مکانیکی و حرارتی است. در نتیجه این زیربرنامه می تواند به راحتی در تحلیل اجزای محدود هر سازه ی هوشمند پیچیده شامل سیم حافظه دار مورد استفاده قرار گیرد. همچنین این زیربرنامه قابلیت مدل سازی رفتار آلیاژهای حافظه دار تحت شرایط استاتیکی، کوپل ترمومکانیکی (دینامیکی) و الکتروترمومکانیکی را دارد. برای صحت سنجی روش عددی ارائه شده، نتایج آن تحت بارگذاری و شرایط مرزی ترمومکانیکی مختلفی، با نتایج تحلیلی، آزمایشگاهی و نتایج حاصل از دیگر روش های عددی موثق، مقایسه شده که تطابق مناسبی را نشان می دهد. اثر نرخ افزایش دما، ضریب انتقال حرارت هدایتی و جابجایی بر پاسخ عملگرهای حافظه دار در حالت استاتیکی بررسی شده است. همچنین نشان داده شد که وقتی بارگذاری های مکانیکی با سرعت های نسبتا بالایی اعمال می شوند، فرض همدمایی دیگر اعتبار نداشته و هر چه نرخ باگذاری افزایش یابد، اثرات دمایی منجر به تغییرات شدیدتری در روند استحاله خواهند شد. در این حالت تغییرات دما وابسته به پارامترهایی از قبیل نرخ کرنش، ضریب انتقال حرارت جابجایی و قطر سیم است. علاوه بر آن، تاثیر درنظر گرفتن گرمای نهان استحاله بر عملکرد عملگرهای حافظه دار به صورت عددی بررسی شده و نشان داده شد که گرمای استحاله با کاهش پیشرفت استحاله مارتنزیتی، پاسخ عملگر را ضعیف تر می کند. در نهایت رفتار الکتروترمومکانیکی و پارامترهای موثر بر آن مورد مطالعه قرار گرفت. در این بخش نشان داده شد که اگر مقاومت ویژه ی الکتریکی ثابت و برابر مقدار آن در حالت مارتنزیت در نظر گرفته شود، افزایش دما در طول سیم با روند کندتری صورت می گیرد.