*32

دانشکده مکانیک
پایاننامه کارشناسی ارشد
گرایش سازه و بدنه خودرو
عنوان :
بررسی تغییر رفتار ارتعاشی در اثر گنجاندن الیاف مواد حافظهدار در ورقهای کامپوزیتی بدنه خودرو
اساتید راهنما :
دکتر محمد شرعیات – دکتر علیاصغر جعفری
نگارش :
فرهاد علینژاد
شهریور ماه 88
به نام بهترین…

تقدیم به
پدر و مادر عزیزم

دانشکده مهندسی مکانیک
تائیدیه هیات داوران
هیئت داوران پس از مطالعه پایاننامه و شرکت در جلسه دفاع از پایاننامه تهیه شده تحت عنوان بررسی تغییر رفتار ارتعاشی در اثر گنجاندن الیاف مواد حافظهدار در ورقهای کامپوزیتی بدنه خودرو ، توسط آقای فرهاد علینژاد، صحت و کفایت تحقیق انجام شده را برای اخذ درجه کارشناسیارشد در رشته مهندسی مکانیک، گرایش سازه و بدنه خودرو، مورد تایید قرار میدهند.
استاد راهنمای اول دکتر محمد شرعیات امضاء
استاد راهنمای دوم دکتر علی اصغر جعفری امضاء
استاد ممتحن دکتر شهرام آزادی امضاء
استاد ممتحن دکتر سیدحسین ساداتی امضاء

اظهارنامه دانشجو
موضوع پایاننامه:
بررسی تغییر رفتار ارتعاشی در اثر گنجاندن الیاف مواد حافظهدار در ورقهای کامپوزیتی بدنه خودرو
استاد راهنما: دکتر محمد شرعیات، دکتر علیاصغر جعفری
نام دانشجو: فرهاد علی نژاد
شماره دانشجویی: 8504004
اینجانب فرهاد علینژاد دانشجوی دوره کارشناسیارشد مهندسی مکانیک گرایش سازه و بدنه خودرو دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی گواهی مینمایم که تحقیقات ارائه شده در این پایاننامه توسط شخص اینجانب انجام شده و صحت و اصالت مطالب نگارش شده، مورد تایید میباشد و در موارد استفاده از کار دیگر محققان به مرجع مورد استفاده اشاره شده است. بهعلاوه گواهی مینمایم که مطالب مندرج در پایاننامه تاکنون برای دریافت هیچ نوع مدرک یا امتیازی توسط اینجانب یا فرد دیگری در هیچجا ارائه نشده است و در تدوین متن پایاننامه چارچوب مصوب دانشگاه را بطور کامل رعایت کردهام.
امضاء دانشجو:
تاریخ:
فرم حق طبع و نشر و مالکیت نتایج
1 – حق چاپ و تکثیر این پایاننامه متعلق به نویسنده آن میباشد. هرگونه کپیبرداری بصورت کل پایاننامه یا بخشی از آن، تنها با موافقت نویسنده یا کتابخانه دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی مجاز میباشد.
ضمنا، متن این صفحه نیز باید در نسخه تکثیر شده وجود داشته باشد.
2 – کلیه حقوق معنوی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی میباشد و بدون اجازه کتبی دانشگاه به شخص ثالث قابل واگذاری نیست.
همچنین، استفاده از اطلاعات و نتایج موجود در پایاننامه بدون ذکر مرجع مجاز نمیباشد.

تقدیر و تشکر
بر خود لازم میدانم از اساتید ارجمندم، آقایان دکتر محمد شرعیات و دکتر علیاصغر جعفری، که نهایت راهنماییهای لازم را در انجام پایاننامه به اینجانب داشتهاند، قدردانی و تشکر نمایم. همچنین از دوستان عزیزم آقایان، جلال فتحی، داوود عسگری و مصطفی عابدینی که صمیمانه در انجام پایاننامه اینجانب را یاری نمودهاند، تشکر مینمایم.
همچنین از اساتید ارجمند، آقایان دکتر شهرام آزادی و دکتر سید حسین ساداتی که زحمت داوری این پایاننامه را قبول نمودند و در جلسه دفاع حضور یافتند، تشکر مینمایم.
چکیده
در سالهای اخیر، بسیاری از محققان توجه خود را به رده خاصی از مواد یعنی مواد حافظه دار تخصیص داده اند. توانایی جذب و کنترل ارتعاشات به طور فعال و یا غیر فعال، به ترتیب متأثر از ویژگی های حافظه شکلی و اتلاف انرژی هیسترزیس ناشی از مشخصه های شبه الاستیک این موارد می باشد. همچنین استفاده از مواد کامپوزیتی در دهه های اخیر رشد پیوسته ای داشته است. اگرچه مواد کامپوزیتی کاربردهای فراوانی در این زمان دارد ولی همچنان تحقیقات گسترده ای به منظور توسعه این شاخه می شود. مواد و تکنولوژیهای جدیدی که بوجود آمده اند کاربردهای پیشرفته تری را برای مواد کامپوزیتی ارائه نموده اند. یکی از این کاربردهای جدید، تلفیق مواد کامپوزیتی با مواد حافظه دار می باشد.
در این تحقیق، ابتدا به ویژگی ها و کاربردهای آلیاژهای حافظه دار و معرفی موضوع تحقیق پرداخته شده و سپس از یک الگوریتم کامپیوتری برای شبیه سازی نمودار تنش کرنش تجربی مواد SMA استفاده شده است. در این الگوریتم متغییر کنترلی، کرنش می باشد. خروجی این الگوریتم، کسر حجمی مارتنزیت می باشد که برای محاسبه مقدار مدول الاستیک مورد استفاده قرار می گیرد. این الگوریتم، قادر به پیش بینی رفتار شبه الاستیک در حلقه های خارجی و داخلی هیسترزیس انرژی می باشد.
ابتدا، با استفاده از این الگوریتم رفتار خمشی ورق کامپوزیتی تقویت شده توسط فیبر حافظه دار، مورد مطالعه قرار می گیرد. برای این کار، از روش المان محدود و تئوری برشی مرتبه اول در روابط غیر خطی فون کارمن استفاده شده است. در این بخش، اثر پارامترهای مختلف ورق، از جمله درصد حجمی فیبر حافظه دار، انواع چیدمان لایه های کامپوزیتی، نسبت منظری و انواع شرایط مرزی بر رفتار خمشی و تنشهای وارده به ورق کامپوزیتی تقویت شده توسط فیبرهای حافظه دار مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین رفتار خمشی ورق کامپوزیتی دارای فیبرهای فلزی معمولی با ورق کامپوزیتی دارای فیبرهای حافظه دار مقایسه شده است. در ادامه، برای تحلیل دینامیکی ورق کامپوزیتی تقویت شده توسط فیبرهای حافظه دار از روش مستقیم انتگرال زمانی نیومارک استفاده می شود و اثرات حافظه دار بودن بر تغییر رفتار ارتعاشی ورق در دو بار پله و هارمونیک مورد بررسی قرار می گیرد.
در پایان، نتایج بخش های مختلف تحقیق مرور گردیده و در راستای موضوع تحقیق، پیشنهاداتی برای تحقیقات بعدی ارائه می گردند.

فهرست مطالب
TOC o “1-4” h z u 1مقدمه و مروری بر کارهای گذشته PAGEREF _Toc242156644 h 11‌.1‌مقدمه PAGEREF _Toc242156645 h 21‌.2‌پیشینه تحقیق PAGEREF _Toc242156646 h 31‌.3‌معرفی موضوع تحقیق PAGEREF _Toc242156647 h 61‌.4‌فرضیه های تحقیق PAGEREF _Toc242156648 h 71‌.5‌مراحل انجام تحقیق PAGEREF _Toc242156649 h 81‌.6‌اهداف مهم و نوآوریهای تحقیق کنونی PAGEREF _Toc242156650 h 81‌.7‌مروری بر فصلهای ارائه شده PAGEREF _Toc242156651 h 92روابط پایه مواد PAGEREF _Toc242156652 h 102‌.1‌مقدمه PAGEREF _Toc242156653 h 112‌.2‌مواد کامپوزیت PAGEREF _Toc242156654 h 112‌.3‌نقش کامپوزیت در صنعت خودروسازی PAGEREF _Toc242156655 h 122‌.4‌مقدمه ای بر آلیاژهای حافظه دار PAGEREF _Toc242156656 h 152‌.5‌ویژگیها و کاربردهای آلیاژهای حافظه دار PAGEREF _Toc242156657 h 182‌.6‌خاصیت حافظه دار بودن PAGEREF _Toc242156658 h 182‌.7‌خاصیت سوپرالاستیسیته(فوق‌کشسانی) PAGEREF _Toc242156659 h 212‌.8‌قابلیت استهلاک PAGEREF _Toc242156660 h 232‌.9‌انواع آلیاژهای حافظه دار PAGEREF _Toc242156661 h 242‌.10‌روابط پایه در مواد کامپوزیت PAGEREF _Toc242156662 h 252‌.10‌.1‌روابط حاکم برای تنش صفحه ای PAGEREF _Toc242156663 h 252‌.10‌.2‌انواع تئوریهای موجود برای سازه ها PAGEREF _Toc242156664 h 272‌.10‌.3‌تئوری مرتبه اول برای صفحات کامپوزیتی PAGEREF _Toc242156665 h 282‌.10‌.4‌فاکتور تصحیح برشی PAGEREF _Toc242156666 h 312‌.10‌.5‌میکرومکانیک یک تک لایه تک جهته PAGEREF _Toc242156667 h 322‌.11‌روابط پایه مواد حافظه دار PAGEREF _Toc242156668 h 342‌.11‌.1‌مدلهای میکرو PAGEREF _Toc242156669 h 352‌.11‌.2‌مدلهای میکرو – ماکرو PAGEREF _Toc242156670 h 352‌.11‌.3‌مدلهای ماکرو PAGEREF _Toc242156671 h 352‌.11‌.4‌مدل فوق کشسان آریچیو (1997) PAGEREF _Toc242156672 h 352‌.11‌.5‌مدل فوق کشسان آریچیو (2003) PAGEREF _Toc242156673 h 362‌.11‌.6‌مدل شبه‌الاستیک ترمومکانیکی کالت (2001) PAGEREF _Toc242156674 h 362‌.11‌.7‌مدل شبه‌الاستیک سیلک (2002) PAGEREF _Toc242156675 h 372‌.11‌.8‌مدل شبه‌الاستیک رزنر (2002) PAGEREF _Toc242156676 h 372‌.11‌.9‌بارگذاری و باربرداری نسبی PAGEREF _Toc242156677 h 383فرمولبندی روابط حاکم بر ورق کامپوزیتی تقویت شده با الیاف حافظه دار PAGEREF _Toc242156678 h 433‌.1‌روابط کرنش – تغییر مکان PAGEREF _Toc242156679 h 443‌.2‌تئوریهای تغییر شکل برشی مرتبه بالا PAGEREF _Toc242156680 h 453‌.3‌تئوری مرتبه اول برشی (میندلین – رایزنر) PAGEREF _Toc242156681 h 463‌.4‌مدلسازی المان محدود PAGEREF _Toc242156682 h 483‌.4‌.1‌المانهای سرندیپیتی PAGEREF _Toc242156683 h 483‌.5‌معادلات حرکت PAGEREF _Toc242156684 h 503‌.6‌شرایط مرزی PAGEREF _Toc242156685 h 524روشهای حل عددی معادلات حاکم بر رفتار استاتیکی و دینامیکی ورقهای حافظه دار PAGEREF _Toc242156686 h 534‌.1‌حل زمانی PAGEREF _Toc242156687 h 544‌.2‌روش نیوتن رافسن PAGEREF _Toc242156688 h 564‌.3‌روش نیوتن – رافسن تغییر یافته PAGEREF _Toc242156689 h 604‌.4‌معیار همگرایی PAGEREF _Toc242156690 h 604‌.5‌روش نیومارک PAGEREF _Toc242156691 h 624‌.6‌مسائل دینامیکی غیر خطی PAGEREF _Toc242156692 h 665بررسی نتایج حاصل از تحلیل خمش ورق حافظهدار PAGEREF _Toc242156693 h 685‌.1‌مقایسه نتایج با تحقیقات پیشین PAGEREF _Toc242156694 h 695‌.2‌تعریف مساله PAGEREF _Toc242156695 h 705‌.3‌دسته‌بندی موضوعات مورد بررسی در مساله PAGEREF _Toc242156696 h 705‌.3‌.1‌دسته‌بندی از لحاظ ماده پایه PAGEREF _Toc242156697 h 715‌.3‌.2‌دسته‌بندی از لحاظ شرایط مرزی PAGEREF _Toc242156698 h 715‌.4‌مشخصات مواد PAGEREF _Toc242156699 h 725‌.5‌بررسی رفتار ورق ساخته شده از مواد SMA خالص PAGEREF _Toc242156700 h 735‌.6‌بررسی تاثیر درصد حجمی ماده SMA بر رفتار خمشی ورق کامپوزیت حافظهدار PAGEREF _Toc242156701 h 745‌.7‌بررسی تاثیر نوع چیدمان الیاف در خمش ورق کامپوزیت حافظه دار PAGEREF _Toc242156702 h 755‌.8‌بررسی تاثیر شرایط مرزی بر خمش ورق کامپوزیت حافظه دار PAGEREF _Toc242156703 h 755‌.9‌تاثیر نسبت منظری در تنش بی بعد محوری PAGEREF _Toc242156704 h 765‌.10‌تاثیر نسبت منظری بر خیز ورق کامپوزیت حافظه دار PAGEREF _Toc242156705 h 775‌.11‌بررسی تنش در مقطع عرضی ورق کامپوزیت حافظه دار PAGEREF _Toc242156706 h 785‌.12‌نتایج بدست آمده از تحلیل خمشی PAGEREF _Toc242156707 h 806بررسی نتایج حاصل از تحلیل ارتعاشات ورق حافظه دار PAGEREF _Toc242156708 h 826‌.1‌بررسی الگوریتم مدل سازی ماده حافظه دار PAGEREF _Toc242156709 h 836‌.1‌.1‌کامپوزیت تقویت شده توسط مواد حافظه دار در بارگذاری درون صفحه ای PAGEREF _Toc242156710 h 836‌.1‌.2‌بررسی اثر دما PAGEREF _Toc242156711 h 876‌.1‌.3‌بررسی رفتار دینامیک الگوریتم مدلسازی PAGEREF _Toc242156712 h 886‌.2‌ورق کامپوزیت حافظه دار تحت بار پله PAGEREF _Toc242156713 h 936‌.2‌.1‌تاثیر نسبت حجمی فیبر حافظه دار در میرایی PAGEREF _Toc242156714 h 956‌.2‌.2‌تاثیر چیدمان بر میرایی ورق کامپوزیت حافظه دار PAGEREF _Toc242156715 h 976‌.2‌.3‌تاثیر دما بر پاسخ به تحریک پله PAGEREF _Toc242156716 h 986‌.3‌ورق کامپوزیت حافظه دار تحت بار هارمونیک PAGEREF _Toc242156717 h 997نتیجه گیری و پیشنهادات PAGEREF _Toc242156718 h 1017‌.1‌نتیجه گیری PAGEREF _Toc242156719 h 1027‌.2‌ارائه پیشنهاد برای تحقیقات جدید PAGEREF _Toc242156720 h 103منابع و مراجع PAGEREF _Toc242156721 h 104

فهرست اشکال
TOC h z c “شکل” شکل ‏21 نمودار تحول فازی ناشی از تغییر دما PAGEREF _Toc242156756 h 19شکل ‏22 نمودارهای تنش – کرنش در دماهای مختلف PAGEREF _Toc242156757 h 19شکل ‏23 اثرات حافظه دار بودن در نمودارهای تنش – کرنش PAGEREF _Toc242156758 h 21شکل ‏24 نمودار تنش – کرنش فوق کشسان آلیاژ حافظه دار PAGEREF _Toc242156759 h 22شکل ‏25 مقایسه انعطاف پذیری سیم فولاد زنگ نزن و سیم فوق کشسان PAGEREF _Toc242156760 h 22شکل ‏31 مقایسه زاویه دوران تئوری مرتبه اول و کلاسیک PAGEREF _Toc242156761 h 47شکل ‏32 المان سرندیپیتی – شماره گذاری محلی PAGEREF _Toc242156762 h 49شکل ‏33 شماره گذاری عمومی PAGEREF _Toc242156763 h 49شکل ‏41 a) مساله تک درجه آزادی یک فنر غیر خطی b) رفتار نرم شونده و سخت شونده PAGEREF _Toc242156764 h 55شکل ‏42 تکرار برای همگرایی در هر یک از سطوح باردهی P1 و P2 a) تکرار نیوتن رافسن، b) تکرار نیوتن رافسن تغییر یافته PAGEREF _Toc242156765 h 55شکل ‏51 سه ورق با خواص مواد آستنیت، مارتنزیت و SMA تحت بار فشاری یکنواخت PAGEREF _Toc242156766 h 73شکل ‏52خمش ورق کامپوزیت حافظه دار با تغییر درصد حجمی فیبر SMA PAGEREF _Toc242156767 h 74شکل ‏53 خمش ورق کامپوزیت حافظه دار با تغییر نوع چیدمان فیبر SMA PAGEREF _Toc242156768 h 75شکل ‏54 ورق کامپوزیتی حافظه دار تحت بار فشاری در دو نوع تکیه گاه گیردار و لولایی PAGEREF _Toc242156769 h 76شکل ‏55 تنش بی بعد محوری در طول ضخامت ورق کامپوزیتی SMA با تغییر نسبت منظری PAGEREF _Toc242156770 h 77شکل ‏56 خیز ورق کامپوزیت حافظه دار با تغییر نسبت منظری PAGEREF _Toc242156771 h 78شکل ‏57 معکوس خیز ورق کامپوزیت حافظه دار با تغییر نسبت منظری PAGEREF _Toc242156772 h 78شکل ‏58 تنش بی بعد محوری در طول مقطع عرضی (x=A/2) PAGEREF _Toc242156773 h 79شکل ‏59 تنش بی بعد محوری در طول مقطع عرضی (x=A/4) PAGEREF _Toc242156774 h 79شکل ‏510 تنش بی بعد محوری در طول مقطع عرضی در موقعیت های مختلف x PAGEREF _Toc242156775 h 80شکل ‏61 نمودار تنش – کرنش کامپوزیت تقویت شده توسط فیبر حافظه دار تحت یک بارگذاری و باربرداری کامل PAGEREF _Toc242156776 h 84شکل ‏62 تنش – کرنش کامپوزیت تقویت شده توسط مواد حافظه دار تحت بار اتقاقی درون صفحه ای PAGEREF _Toc242156777 h 86شکل ‏63 نمودار تنش – کرنش کامپوزیت تقویت شده توسط فیبر حافظه دار در دو دمای مختلف PAGEREF _Toc242156778 h 88شکل ‏64 ارتعاش سیستم یک درجه آزادی تحت بار پله PAGEREF _Toc242156779 h 89شکل ‏65 ارتعاش سیستم یک درجه آزادی حافظه دار تحت بار پله PAGEREF _Toc242156780 h 90شکل ‏66 نمودار تغییرات کسر حجمی ماده مارتنزیت با زمان PAGEREF _Toc242156781 h 91شکل ‏67 ارتعاش سیستم یک درجه آزادی حافظه دار تحت بار پله PAGEREF _Toc242156782 h 92شکل ‏68 نمودار تغییرات کسر حجمی ماده مارتنزیت با زمان PAGEREF _Toc242156783 h 92شکل ‏69 تغییرات خیز نقطه وسط ورق کامپوزیت تقویت شده توسط فیبر حافظه دار با زمان تحت بار پله PAGEREF _Toc242156784 h 94شکل ‏610 تغییرات نسبت موادی که 0.9 درصد حجمی مارتنزیت هستند به کل مواد حافظه دار موجود در ورق کامپوزیتی با زمان PAGEREF _Toc242156785 h 95شکل ‏611 پاسخ ورق کامپوزیت حافظه دار به بار پله با تغییر نسبت حجمی فیبر حافظه دار PAGEREF _Toc242156786 h 97شکل ‏612 دو چیدمان ورق کامپوزیت حافظه دار در پاسخ پله PAGEREF _Toc242156787 h 98شکل ‏614 پاسخ به تحریک پله ورق کامپوزیت حافظه دار در دو دمای مختلف PAGEREF _Toc242156788 h 99شکل ‏615 پاسخ ورق کامپوزیت حافظه دار به تحریک هارمونیک PAGEREF _Toc242156789 h 100
فهرست جداول
TOC h z c “جدول” جدول ‏21 مقادیرخصوصیات مکانیکی برای مواد مختلف PAGEREF _Toc242156796 h 34جدول ‏53 مقایسه نتایج بدست آمده از تحقیق کنونی و تحقیقات پیشین PAGEREF _Toc242156797 h 70جدول ‏51 خصوصیات مکانیکی مواد حافظه دار مورد استفاده در این تحقیق PAGEREF _Toc242156798 h 72جدول ‏52 خصوصیات مکانیکی کامپوزیت گرافیت – اپوکسی PAGEREF _Toc242156799 h 72جدول ‏62 خواص ماده حافظه دار در دمای T=37° C PAGEREF _Toc242156800 h 87جدول ‏63 مشخصات مواد کامپوزیتی تحت تحلیل دینامیکی PAGEREF _Toc242156801 h 93
فصل اول
مقدمه و مروری بر کارهای گذشتهمقدمههمگام با رشد سریع علوم و تکنولوژی در دهههای اخیر، نیاز به مواد جدیدی که مهندسان را در طراحی و ساخت سازههای مهندسی یاری کند، به شدت در جای جای صنعت احساس می شود؛ موادی که در زمینههای مختلف مهندسی قابل استفاده بوده و با بهبود خواص مورد نظر، مشخصههای بهتری را در عمل نتیجه دهند.
یکی از عوامل مهمی که باعث پیشرفت و گسترش صنایع در زمینه‌های مختلف شده است، پیدایش مواد جدید میباشد. دستیابی به موادی از قبیل کامپوزیت‌ها و آلیاژهای حافظهدار همگی مبین این مطلب است. در این میان، مواد هوشمند که اساس بوجود آمدن سازه‌های هوشمند می‌باشند، نقش بسیار مهمی را در بهینه‌سازی و توسعه صنایع ایفا کردهاند.
یکی از تازهترین دستآوردها در مهندسی سازه و مواد در زمینه سازههای هوشمند، مواد تطبیقی میباشد. این سازهها با استفاده از اثرات مستقیم و معکوس، شرایطی را برای تطبیق سازه با محیط پیرامون خود فراهم می سازند. در این بین، مواد حافظه دار سهم بسزایی دارند. مواد آلیاژی حافظه دار،‌ به دلیل رفتار مکانیکی خاصی که دارند مانند اثر حافظه دار بودن،‌ اثر شبه الاستیک و خواص ماده وابسته به دما به عنوان المانهای سازه های مکانیکی پیشرفته کاربرد فراوانی دارند.
در ادامه به بررسی مواد کامپوزیتی و همچنین مواد حافظه دار و تحقیقات اخیر در این مورد می پردازیم .
پیشینه تحقیقهونگیو جیا در سال ‌1998]1[، مقاومت در برابر ضربه ساختارهای کامپوزیتی هیبرید آلیاژ حافظه دار را مورد بررسی قرار داد. جذب انرژی کرنشی تیرها و میله های SMA تحت تنش و خمش مورد بررسی قرار گرفتند. او یک مدل تئوری برای ایجاد رابطه بین کسر مارتنزیت، بار اعمالی و انرژی کرنشی جذب شده در آلیاژ حافظه دار ارائه داد. او به طور تحلیلی دریافت که مواد سوپرالاستیک SMA قابلیت جذب انرژی کرنشی بالایی را از خود نشان می دهند. او معادلات غیر خطی برای ورقهای کامپوزیتی هیبرید SMA ارائه داد که می تواند برای تحلیل ضربه سرعت پایین یا بارهای تماسی شبه استاتیک به کار رود. معادلات حاکم شامل تغییر شکل برشی عرضی به همراه تحلیل مرتبه اول، خیز بزرگ ورقها و لامینای SMA/ اپوکسی می باشد. این معادلات برای حالت کلی با شرایط مرزی کلی و زوایای چینش کلی استخراج شده اند.
مارک پیترزاکوسکی در سال 2000 ]2[، تغییرات خواص دینامیکی صفحات کامپوزیتی مستطیلی و ورقهای ساندویچی حاوی لایه های تقویت شده توسط فیبرهای SMA را مورد تحلیل قرار داد. او از خاصیت تغییر شدید سختی SMA بر اثر دما، برای کنترل شبه فعال استفاده کرد.
تراویس و همکاران در سال 2001 ]3[، سعی در ساخت و تست کامپوزیتهای هیبرید آلیاژ مواد حافظه دار کردند. این نمونه ها ساختارهای کامپوزیتی متعارفی بودند که از مواد SMA درونشان استفاده شده بود. آنها، این نمونه را برای تایید یک مدل ترمومکانیکی برای ساختارهای SMAHC تهیه کردند. آنها، رفتار تنش کرنش نایتینول، مدول در برابر دما و تنش احیا در برابر دما و سیکل حرارتی را مورد بررسی قرار دادند.
رح و کیم در سال 2002 ]4[، از تئوری برشی مرتبه اول و روش المان محدود برای تحلیل عددی ضربه سرعت پایین وارد بر کامپوزیتهای هیبرید SMA استفاده کردند.
آراتا ماسودا و محمد نوری در سال 2002 ]5[، به منظور بررسی کنترل غیر فعال ارتعاشات توسط تجهیزات ساخته شده با مواد SMA، ارتباط بین شکل حلقه هیستریزیس المانهای SMA و کارایی مواد حافظه دار را به عنوان تجهیزات میراکننده مورد ارزیابی قرار دادند. آنها دریافتند که برای کسب بالاترین کارآیی برای یک دامنه تحریک داده شده، ابعاد حلقه هیسترزیس باید به گونه ای تنظیم شود که پاسخ از حلقه ماکزیمم عبور کند ولی از آن فراتر نرود. همچنین آنان دریافتند که برای داشتن بهترین عملکرد ناحیه محبوس شده توسط حلقه هیسترزیس می بایست نسبت به کل ناحیه زیر نمودار تنش کرنش در حین بارگذاری، تا حد امکان بزرگترین اندازه خود را دارا باشد.
رح و کیم در سال 2002 ]6[، با تغییر کسر حجمی SMA و افزایش دما، میزان خیز ناشی از ضربه را روی صفحه کامپوزیتی تقویت شده توسط فیبرهای SMA به حداقل رساندند. آنها نشان دادند که بهینه سازی توزیع کسر حجمی فیبرهای SMA، نقش مهمی در کاهش خیز این صفحات دارد.
موچان و سیلچنکو در سال 2004 ]7[، راه حلی تحلیلی برای مساله از بین رفتن پایداری متقارن محوری یک صفحه دایروی SMA تحت انتقال فاز مستقیم در اثر نیروی فشاری ارائه دادند.
ریوکا گیلات و جاکوب آبودی در سال 2004 ]8[، معادلات میکرومکانیک کامپوزیتهای تک جهته دارای فیبرهای SMA در ماتریس پلیمری یا فلزی را بدست آوردند. آنها این معادلات را برای تحلیل رفتار غیر خطی ورقهای کامپوزیتی با عرض بینهایت تحت اثر بار حرارتی ناگهانی بکار گرفتند.
پارک و همکاران در سال 2004 ]9[، رفتار ارتعاشی ورق کامپوزیتی هیبرید SMA کمانش یافته بر اثر حرارت را مورد بررسی قرار دادند. معادلات المان محدود غیر خطی با تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول در این تحقیق به کار گرفته شدند. رابطه کرنش فون کارمن برای محاسبه خیز بزرگ به کار گرفته شد.
مو و همکاران در سال 2005 ]10[، رفتار مقابله با ضربه ورقهای کامپوزیتی کربن اپوکسی را که دارای سیمهای آلیاژ حافظه دار سوپرالاستیک بود، مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که اضافه کردند فیبرهای SMA مقاومت در برابر صدمه را برای کامپوزیتها افزایش می دهد.
ژانگ و همکاران در سال 2006 ]11[، ورقهای کامپوزیتی را در دو حالت دارای فیبرهای SMA همجهت و فیبرهای بافته شده SMA مورد تحلیل ارتعاشی ضربه قرار دادند. ایشان دریافتند که با کنترل تحول فاز SMA از مارتنزیت به آستنیت می توان کنترل دقیقتری روی تنظیم سختی سازه داشت.
شانگ و تانگ شن در سال 2007 ]12[، ارتعاشات آزاد و اجباری کامپوزیتهای دارای فیبر آلیاژهای هوشمند را در تغییر شکل های بزرگ مورد بررسی قرار دادند. آنها از معادلات بنیادی ترمومکانیکی SMA ارائه شده توسط Brinson و همکاران برای ارزیابی خواص صفحات کامپوزیتی هیبرید SMA استفاده کردند. آنها از روش گلرکین برای تبدیل معادلات دیفرانسیل جزئی به معادلات دیفرانسیل معمولی غیر خطی استفاده نمودند. آنها دریافتند که اثرات دما روی پاسخ اجباری در حین تحول فاز از ماتنزیت به آستنیت چشمگیر است.
ویکتور بیرمن در سال 2007 ]13[، کنترل غیر فعال ارتعاشات ورقهای نازک کامپوزیتی با فونداسیون الاستیک از آلیاژ حافظه دار را مورد بررسی قرار داد.
خلیلی و همکاران در سال 2007 ]14[، پاسخ ورق کامپوزیتی هیبرید SMA را در برابر ضربه سرعت پایین مورد بررسی قرار دادند. ایشان برای حل تحلیلی معادلات دینامیکی حاکم بر ورق کامپوزیتی هیبرید، از تئوری برشی مرتبه اول و سری فوریه استفاده کردند.
خلیلی و همکاران در سال 2007 ]15[، اثر بعضی از پارامترهای مهم را روی پاسخ ضربه سرعت پایین ورفهای کامپوزیتی هیبرید جدارنازک فعال دارای سیمهای SMA مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق آنها تاثیر سیمهای SMA را روی تاریخچه نیروی تماسی، خیز، کرنشها و تنشهای درون صفحه ای این سازه ها بررسی نمودند. آنها نشان دادند که پارامترهای فیزیکی و هندسی مانند نسبت حجمی SMA، جهت فیبرهای کامپوزیت، جرم ضربه زننده، سرعت ضربه زننده و نسبت طول به ضخامت این صفحات فاکتورهای مهمی در فرایند ضربه و طراحی این سازه ها می باشند.
جان و حریری در سال 2008 ]16[، تغییرات فرکانس طبیعی سازه های کامپوزیتی دارای فیبرهای آلیاژ حافظه دار نایتینول را با تحلیل توزیع انرژی کرنشی روی یک ورق مورد بررسی قرار دادند. ایشان این معادلات کرنش را به طور تحلیلی و عددی حل کردند تا تاثیر نیروهای نقطه ای وارد بر ورق را بررسی کرده و فرکانس طبیعی آن را محاسبه کنند.
معرفی موضوع تحقیقبا توجه به ویژگی‌های متمایز و برتر آلیاژهای حافظه‌دار، کاربرد آن‌ها به طور فزاینده‌ای در صنایع مختلف از جمله صنایع تولید خودرو رو به گسترش است ولی به دلیل هزینه گزاف تولید این مواد امروزه از کاربرد خالص آنها خودداری می شود همچنین استفاده فیبرهای مواد حافظه دار در سازه های کامپوزیتی مزیت استفاده از خواص ترکیبی کامپوزیت را نیز فراهم نموده و بنابراین علاوه بر افزایش کارایی ورقهای کامپوزیتی مورد استفاده در سازه ها وزن نهایی آنها را نیز کاهش می دهد که این امر بخصوص در صنعت خودروسازی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. سازه‌های SMA در فرآیند ساخت و یا در حین انجام مأموریت، تحت تأثیر بارهای دینامیکی قرار می‌گیرند. رفتار این مواد، با توجه به تحول فازی، متأثر از میدان تنشی پیچیده است. تحولات فازی باعث تغییر مشخصه‌های مکانیکی ماده از جمله مدول یانگ، قابلیت استهلاک، فنریت و فرکانس طبیعی سازه می‌شوند و به این ترتیب تعیین عوامل مؤثر در تغییر شکل، تنش‌های متغیر دینامیکی و میزان تأثیر آن‌ها به صورت ترکیب با مواد کامپوزیتی امری بسیار دشوار و بغرنج می‌باشد.
در این پروژه، ابتدا نقش مواد حافظه دار در ورقهای کامپوزیتی به صورت استاتیکی مورد بررسی قرار می گیرد و سپس به بررسی تغییر رفتار ورقهای کامپوزیتی تقویت شده با فیبرهای SMA با تغییر پارامترهای مختلف در این ورقها پرداخته می شود
فرضیه های تحقیق1- آلیاژ حافظه دار در شرایط شبه الاستیک (فوق کشسان) در نظر گرفته شده و تحول فاز فقط ناشی از القاء تنش است.
2- ساختار کریستالی آلیاژ حافظه دار پلی کریستالین در نظر گرفته می شود.
3- تحول فاز بین دو فاز آستنیت (مادر) و مارتنزیت (محصول) صورت میگیرد.
4- رفتار مکانیکی ماده تحت اثر کشش و فشار، متقارن است و منحنی تنش – کرنش برای حالت فشاری را می توان مشابه حالت کششی در نظر گرفت ] 17[.
5- کامپوزیت SMA در هر لحظه از شرایط حل مسئله در یک لایه مشخص و یک المان مورد بررسی همگن و به صورت میانگین خواص گره ها در نظر گرفته می‌شود.
6- اگر فیبر SMA تحت اثر بار متناوب قرار گیرد، منحنی تنش–کرنش و مقادیر تنش مربوط به شروع و پایان تحول فاز پس از تعداد دفعات مشخصی از بارگذاری پایدار می شوند]18[. در این تحقیق فرض می شود که آلیاژ حافظه دار در شرایط پایداری خواص فوق قرار دارد.
7- ارتعاش SMA در شرایط هم دما انجام می گیرد.
8- میرایی سازه ای بجز میرایی ناشی از تبدیل فازهای ماده حافظه دار، وجود ندارد.
مراحل انجام تحقیق1- بررسی رفتار شبه‌الاستیک آلیاژهای حافظه‌دار.
2- انتخاب و ارائه مدل‌ رفتار شبه‌الاستیک.
3- بررسی پاسخ استاتیکی کامپوزیتهای SMA به بار فشاری یکنواخت.
4- بررسی اثر برخی پارامترهای مختلف بر پاسخ استاتیکی کامپوزیتهای SMA.
5- بررسی پاسخ دینامیکی کامپوزیتهای SMA به بار فشاری یکنواخت به شکل پله و هامونیک.
6- بررسی اثر پارامترهای مختلف بر پاسخ دینامیکی کامپوزیتهای SMA.
اهداف مهم و نوآوریهای تحقیق کنونیاهداف و دستاوردهای مهم این تحقیق به شرح زیر هستند.
1- ارائه الگوریتم مدلسازی بر اساس مدل ساختاری یک بعدی برای پیش بینی خواص مکانیکی SMA در حالت شبه الاستیک
2- مطالعه اثرات تبدیل فاز ناشی از القاء تنش بر مشخصه های SMA
3- مطالعه اثرات پارامترهای مختلف ورق کامپوزیتی بر پاسخ استاتیکی و دینامیکی ورق کامپوزیتی SMA
4- مقایسه بین پاسخ استاتیک و دینامیکی ورق کامپوزتی SMA و پاسخ ورق ایزوتروپیک
با انجام این تحقیق و تشخیص چگونگی تأثیر بارهای متحرک بر سازه‌های SMA آگاهی و تسلط بیشتری بر پارامترهای مؤثر در انتخاب ماده، فرآیند ساخت، محدودیت‌های کاربردی این آلیاژها و احیاناً نحوه رفع آن‌ها برای مهندسین طراح ایجاد می‌گردد.
مروری بر فصلهای ارائه شدهدر فصل دوم، روابط حاکم بر تنش صفحه ای، رفتار پایه مواد کامپوزیتی و تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول در ورقهای کامپوزیت مورد بررسی قرار میگیرد. همچنین، این فصل به بررسی مدلهای مختلف ارائه شده برای توصیف رفتار مواد حافظه دار می پردازد.
فصل سوم، شامل فرمول بندی روابط حاکم می باشد، در این فصل روابط کرنش – جابجایی معرفی شده و روش مدل سازی المان محدود مورد استفاده در حل مساله بیان می شود.
در فصل چهارم، روشهای عددی معادلات حاکم بر رفتار استاتیکی و دینامیکی ورقهای SMA مورد بررسی قرار می گیرد.
در فصل پنجم، به بررسی رفتار خمشی ورقهای کامپوزیتی تقویت شده با الیاف SMA تحت بار فشاری پرداخته می شود تا صحت مدلسازی المان محدود و نیز مواد به کار گرفته شده مورد بررسی قرار گیرد.
در فصل ششم، نتایج حل دینامیکی ورقهای کامپوزیتی SMA ارائه گردیده اند.
فصل هفتم شامل نتیجه گیری و پیشنهادات می باشد.
فصل دوم
روابط پایه موادمقدمهدر این فصل، ابتدا به مواد کامپوزیتی و نقش آنها در خودرو می پردازیم سپس مواد حافظه دار را معرفی کرده و خواص آن را بررسی می کنیم. در این فصل، روابط پایه مواد کامپوزیتی و همچنین نحوه اعمال خواص فیبرهای حافظه دار مورد بررسی قرار می گیرد.
مواد کامپوزیتماده مرکب یا کامپوزیت، ماده‌ای است که اولا از بیش از یک ماده ساخته شده است و ثانیا از مواد اورتوتروپیک است یعنی خواص مهندسی آن در راستاهای مختلف متفاوت است.
کامپوزیت‌ها، انواع گوناکون دارند که یکی از مهمترین آنها کامپوزیت‌های مخلوط رشته‌ای است که دارای دو جزء است:
زمینه
الیاف
زمینه انواع گوناگون دارد که عبارتند از:
فلزی
پلیمری
سرامیکی
الیاف انواع گوناگون دارد که عبارتند از:
شیشه
کربن
گرافیت
این کامپوزیت‌ها به صورت تک لایه ساخته می‌شود که از اتصال تک لایه‌ها بر روی هم چند لایه ایجاد می‌شود.
نقش کامپوزیت در صنعت خودروسازیامروزه در دنیا با طراحی بهینه جرم و به کاربردن مناسب مواد سبک، وزن خودروها صرف نظر از نوع آنها می تواند تا 50 درصد کاهش یابد که می تواند قسمتی یا تمام هزینه مربوط به استفاده از سیستم های پیشران جدید را جبران کند. در این خصوص بسیاری از مواد سبک می توانند به منظور کاهش وزن خودرو استفاده شوند. استفاده از مواد کامپوزیتی پیشرفته با الیاف پایه کربن در سازه اولیه خودرو علاوه بر اینکه بیشترین کاهش وزن را به دنبال خواهد داشت، ضریب ایمنی خوبی در برخوردها به دنبال خواهند داشت. همچنین مزایای دیگری در پروسه تولید دارند و راههای متنوع و جدیدی در اسمبل کردن در اختیار طراح خط تولید قرار می دهند. نیاز به سرمایه اولیه پایین در بخش اسمبل کردن و رنگ کاری نسبت به روشهای معمول نیز از دیگر برتری های استفاده از کامپوزیت های پیشرفته می باشد.
طرح های مواد کامپوزیتی معمولا بصورتی انتخاب می شوند که روند تولید راحتی داشته باشند و از نظر کاهش وزن در حد متوسطی باشند. برای مثال ترکیبات کامپوزیتهای الیاف شیشه SMC یک سیستم کامپوزیتی کاملا پرطرفدار می باشد که در خیلی از کاربردهای کامپوزیتی در خودروها استفاده می شود. کامپوزیتهای الیاف شیشه محبوبیت خود را مدیون قابلیت خود در شکل گیری خوب، پایین بودن سرمایه اولیه نسبت به فولاد و دانسیته پایین خود هستند. بنابراین، این خواص در مجموع کاهش هزینه و وزن خودرو را به دنبال خواهند داشت. با این حال، به خاطر اتفاقی بودن جهات الیاف، نسبت پایین حجمی الیاف و کارایی پایین الیاف مورد استفاده، بازدهی سازه ای آنها و درجه کاهش وزن توسط کامپوزیتهای الیاف شیشه و سایر مواد مشابه آنها، از حد متوسط بالاتر نرفته است و این باعث شده است که آنها نتوانند جایگزین مناسبی برای فولاد در سازه خودرو باشند.
کامپوزیتهای پیشرفته مثل پلیمرهای پایه کربنی، جایی جایگزین مناسبی برای فولاد در سازه اتومبیل هستند که کاهش زیادی در وزن (در حدود 60% در مقایسه با فولاد) مورد نیاز است. قیمت، یک چالش همیشگی برای طراحی خودرو مخصوصا نوع کامپوزیتی آن می باشد. در گذشته با وجود گران بودن این مواد نسبت به فولاد در قطعات غیر سازه ای از پلاستیک ها و کامپوزیتها، به دلیل صرفه جویی در هزینه اسمبل کردن استفاده شده اند.
در بدنه اتومبیل، مهمترین مساله طراحی مربوط به مقاومت سازه می باشد و سازه خودرو باید از مقاومت کافی برای اهداف تعیین شده برخوردار باشد بنابراین، بهترین جایگزین فولاد بر اساس نسبت هزینه بر واحد مقاومت مواد، آلومینیوم و کامپوزیت های الیاف کربن می باشند. اگر چه نسبت هزینه بر مقاومت ماده برای کامپوزیتهای کربنی از نسبت مشابه در آلومینیوم بیشتر است اما عوامل دیگری نظیر کاهش وزن، صرفه جویی در هزینه بدلیل یکپارچه سازی و سرهم کردن قطعات و ارزان بودن تجهیزات لازم سبب شده است تا در بسیاری از کاربردها در خودرو مقرون به صرفه باشد.
به علت مزایایی که قطعات کامپوزیتی نسبت به قطعات فلزی دارند و صرفهجوییهایی که در اثر استفاده از آنها ایجاد میشود، هر روز قطعات بیشتری از خودرو به قطعات کامپوزیتی تبدیل میشوند.
این قطعات، به خاطر وزن مخصوص کم، دارای وزن کمتری نسبت به قطعات فلزی هستند. وزن تا حدود نصف و حتی بیشتر کاهش پیدا میکند. طبیعتاً این کاهش وزن در کاهش مقدار سوخت و استفاده از موتورهایی با قدرت کمتر و کوچکتر موثر خواهد بود. این مساله باعث صرفهجویی در مصرف سوخت و در نتیجه کاهش آلودگی میگردد. این مواد به طور متوسط در تمام خواص مکانیکی خواص بهتری نسبت به فلزات از خود نشان میدهند. این مسئله باعث افزایش عمر قطعات خواهد شد. این قطعات را میتوان با ماشین آلات کمتر و با سهولت بیشتری نسبت به فلزات و با تعداد بیشتری تولید کرد.
کامپوزیت های الیاف طبیعی مصرفی در قطعات خودروها علاوه بر داشتن حداقل خواص مکانیکی، از رفتار شکست بسیار خوبی برخوردار هستند. این کامپوزیت ها به صورت غیر ناگهانی و تدریجی می شکنند و همچنین در حین تصادفات، کمتر لبه های تیز و برنده که سرنشین خودرو را زخمی کند تولید می کنند. این کامپوزیت ها به طور خلاصه نسبت به مواد متداول از خواصی مناسب زیر برخوردارند: 1) سطح نهایی بسیار صاف و نرمی دارند.
2) ظاهر آنها بسیار بهتر از پلاستیک های ارزان قیمت است.
3) ازنظر حرارتی در برابر شعله بسیار مقاوم تر از پلاستیک ها هستند.
4) جاذب صداهای بیرونی هستند.
5) به مرور زمان تغییر شکل نمی دهند.
6) نسبت به تغییرات جوی همچون رطوبت مقاوم هستند.
7) هزینه پایینی دارند.
شرکت‌های خودروسازی نظیر جنرال موتورز، فورد و دایملر-کرایسلر، تلاش تحقیقاتی قابل توجهی را بر روی توسعه کامپوزیت‌های پیشرفته برای مصارف خودرو قرار دادهاند. کرایسلر در تحقیقات کامپوزیت پیشتاز است و برنامه تحقیقاتی را از سال 1994 در دستور کار خود قرار داده و هدف آن تولید یک ماشین ارزان‌قیمت برای تولید در کشورهای در حال توسعه نظیر چین بود. نتیجه این برنامه، تولید CCV بود که در سال 1997 در نمایشگاه خودرو فرانکفورت به نمایش درآمد. اگرچه این خودرو هرگز تولید نشد ولی ثابت کرد که قطعات بزرگ ساخته شده از کامپوزیت، مقاومت لازم در برابر فشارهای حاصل از رانندگی و تصادف را دارند. در حال حاضر تلاش‌های دایملر- کرایسلر بر توسعه فرایند ساخت قطعات مجزا، مانند سقفهای محکم برای جیپ رانگلر, استوار شده است، به این امید که روزی بدنه کامل یک خودرو را با یک قالب تولید نماید.
خودرو‌های تماماً ساخته شده از کامپوزیتهای پیشرفته نیز از اهداف مورد توجه شرکتهای خودروسازی هستند. فولکس واگن اخیراً از برنامهای جهت توسعه یک خودرو بسیار کارآمد شهری (در اندازه مدل Geo-Metro) ساخته شده از کامپوزیتهای پیشرفته خبر داد.
مدل فولکس واگن Lupu که از کامپوزیت‌های پیشرفته ساخته شده است, برای تولید در سال 2004 برنامهریزی شده است و ادعا میشود به ازای هر گالن سوخت دیزلی، مسافت 235 مایل را طی می کند.
در چند سال آینده ما شاهد تولید انبوه، اولین خودروهای ساخته شده از کامپوزیت‌های پیشرفته خواهیم بود. این خودروها در حالی که بسیار شبیه خودروهای امروزی خواهند بود کارایی و مصرف سوخت بسیار بهتری خواهند داشت.
مقدمه ای بر آلیاژهای حافظه دارآلیاژهای حافظه‌دار، گروهی از آلیاژها می‌باشند که خواص متمایز و برتری نسبت به سایر آلیاژها دارند. این آلیاژها، مواد هوشمندی هستند که عناصر پایه تشکیل دهنده‌شان فلزی بوده و تحت شرایط محیطی و کاربردی مختلف، رفتار ترمودینامیکی، ترموالکتریکی و ترموشیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند. این مواد فلزی، بعد از تغییر شکل غیرالاستیک آشکار با اعمال حرارت به شکل اولیه خود بر می‌گردند و در محدوده دمای معین تا حدود 10% می‌توانند تحت کرنش قرار گیرند و با حذف بار به شکل اولیه خود برگردند. نام این مواد آلیاژهای حافظه‌دار است و به خواص غیر معمول فوق در آن‌ها به ترتیب حافظه حرارتی و سوپر الاستیستیه (حافظه الاستیک) گفته می‌شود‌‌‌‌‌‌]‌19.[ مبنای پدیده حافظه‌داری این آلیاژها تحول مارتنزیتی است یعنی در طی اعمال فرآیندهای حرارتی، مکانیکی و یا حرارتی ـ مکانیکی دچار تحول فازی آستنیت به مارتنزیت و یا برعکس می‌شوند، طوری که می‌توانند به ساختار فاز اصلی و یا فاز مادر برگردند. اثر سوپرالاستیک آنها نیز ناشی از همان تحول فازی و تبدیل غیرنفوذی جامد ـ جامد بین فاز بلوری مرتبه بالای آستنیت و فاز بلوری مرتبه پایین مارتنزیت می‌باشد. به طور کلی، آستنیت در مقادیر تنش کمتر و دمای بالاتر و مارتنزیت در مقادیر تنش بالاتر و دمای کمتر پایدار است [20و21].
خاصیت حافظه‌داری از اواسط دهه 1950 در نتیجه تحول مارتنزیت در آلیاژهای دارای پایه مس کشف شد. در اوایل دهه 1960 محققان آزمایشگاه مهمات‌سازی نیروی دریایی آمریکا به این ویژگی در آلیاژهای Ni – Ti (Nitinol) پی بردند]‌19[. از آن پس آلیاژهای حافظه‌دار به صورت قابل ملاحظه‌ای توسعه یافتند و کشف مزایای اساسی و برتر آن‌ها روز به روز افزایش یافت. آزمایش‌های گسترده حاکی از آن است که آلیاژهای NiTi تطابق زیستی در خور توجهی دارند. استفاده از ایمپلنت‌های دائمی در شاخه‌های مختلف پزشکی در کشورهای ژاپن، آلمان، چین و روسیه به اوایل 1980 بر‌گردد. قابلیت استهلاک بالای آلیاژهای NiTi ناشی از اصطکاک داخلی زیاد دوقلوئی موجود در فاز مارتنزیت و یا مخلوط فازهای مارتنزیت و آستنیت می‌باشد. این ویژگی باعث بررسی و به کارگیری آن‌ها به عنوان میراکننده در سیستم‌های ایزولاسیون سازه‌های ساختمانی، پل‌ها و بزرگراه‌ها برای مقابله با اثرات زمین لرزه گردیده است ]23، 22، 21 [. به علاوه، این مواد با تغییر دادن سختی و تنش در سازه‌ها و در نتیجه جابه‌جا کردن فرکانس‌های طبیعی سبب بهبود خواص ارتعاشی می‌شوند.
این آلیاژها، بدلیل ویژگی‌های مکانیکی بی‌نظیر خود نسبت به سایر آلیاژهای حافظه‌دار، توجه اغلب پژوهشگران را به خود جلب کرده‌اند. محدوده وسیع کرنش ارتجاعی تا 8% ، استحکام کششی نهایی خیلی خوب (تا MPa1000)، افزایش طول 50% تا لحظه از کارافتادگی، بازیابی تنش تا MPa800، قابلیت دمپینگ هیسترزیس عالی، قابلیت مطمئن جذب انرژی بالا بر اساس فرآیند تبدیل فاز تکراری در حالت جامد ، کرنش سختی در مقدار کرنش بیش از 6%، ویژگیهای خستگی عالی در سیکلهای کم و زیاد و مقاومت به خوردگی عالی ، مواردی از این خواص هستند [24 ، 25].
اثر حافظه شکلی، سوپرالاستیسیته، قابلیت بالای استهلاک، سازگاری زیستی خوب، مقاومت بالا، مقاومت به خوردگی‌ بالا و انعطاف‌پذیری باعث شده‌اند که آلیاژهای حافظه‌دار کاربردهای فراوانی را در شاخه‌های پزشکی، صنایع و به ویژه هوافضا به خود اختصاص دهند. از کاربردهای پزشکی آنها به ایمپلنت‌های ارتوپدی، فیلترها، سیم‌های ارتدونسی، انبرک بافت برداری و استنت‌ها (میکروسازه‌های خودانبساط) برای رفع انسداد اندام توخالی یا سیستم لنفاوی بدن می‌توان اشاره کرد [26،27،28].
کوپلینگ‌ها و محکم‌کننده‌ها، مکانیزم‌های رهاکننده، عملگرهای حرارتی و الکتریکی و میکروعملگرها در ایستگاه‌های فضایی، ماهواره‌ها یا ربات‌ها مانند مسیریاب مریخ و نیز برخی اجزاء تلسکوپ فضایی هابل موارد مختصری از کاربردهای غیرپزشکی آلیاژهای حافظه‌دار هستند [29،30،31]. رفتار شبه الاستیک آلیاژهای NiTi قابلیت جذب انرژی هیسترزیس منحصر به فردی است که این مواد را به عنوان کاندید ماندگاری برای کنترل ارتعاشات سازه ای و یا غیر فعال مطرح می سازد. کاهش سفتی آلیاژهای حافظهدار در طی تبدیل فاز نیز آنها را به عنوان جاذب یا دمپر ارتعاشی در مقابل پدیدههایی مانند زمین لرزه مفید میسازد. در 20 سال اخیر، بکارگیری SMA در تجهیزات عایق‌سازی و جذب و کنترل ارتعاشات مختلف از جمله زمین‌لرزه در کشورهای اروپایی و ژاپن یکی دیگر از کاربردهای گسترده این مواد می‌باشد [32-35]. قابلیت ایجاد سفتی متغیر و امکان تنظیم سفتی سیم‌های SMA باعث شده است که جاذب‌های ارتعاشی قابل تنظیم براساس سیم‌های SMA مورد مطالعه و بررسی قرار گیرند. امکان کنترل ارتعاشات در پهنای وسیع‌تری از فرکانس کاری در مقایسه با جاذب‌های غیرفعال، از مزیت‌های این کاربرد می‌باشد [36].
ویژگیها و کاربردهای آلیاژهای حافظه دارآلیاژهای حافظه‌دار با ویژگی‌های متمایز و برتر طیف وسیعی از کاربردهای نوین را به خود اختصاص داده‌اند. سیم‌های ارتدونسی و میکروسازه‌های خود انبساط مورد استفاده در اندام توخالی یا انسداد سیستم لنفاوی نمونه‌هایی از کاربرد سوپرالاستیسیته هستند و در عضوهایی مانند محکم‌کننده‌ها و کوپلینگ لوله‌های هواپیما و رابط بردهای کامپیوتری و لوازم به‌کاررفته در کنترل سازه‌های فضایی مانند آنتن‌ها و صفحات خورشیدی از اثر حافظه شکلی بهره‌برداری شده است ]19[.
خاصیت حافظه دار بودنشکل 2-1 درصد حجمی فاز مارتنزیت را بر حسب دما نشان می‌دهد. دمای شروع تشکیل فاز مارتنزیت(Ms)، دمای پایان تشکیل فاز مارتنزیت(Mf)، دمای شروع تشکیل فاز آستنیت(As) و دمای پایان تشکیل فاز آستنیت(Af) می‌باشد. فاز مارتنزیت در دمای کمتر از Mf و فاز آستنیت در دمای بیش از Af پایدار است. تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت در طی سرد کردن آلیاژ و عبور از Ms شروع شده و در کمتر از دمای Mf درصد حجمی این فاز به 100% می‌رسد. همچنین فاز مارتنزیت می‌تواند طی بارگذاری بر روی فاز آستنیت در دمای Af<T<Md تشکیل شود که به آن مارتنزیت متأثر از تنش گویند. در دمای Md > T فاز مارتنزیت ناشی از تنش بدست نمی‌آید.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 1 نمودار تحول فازی ناشی از تغییر دما
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 2 نمودارهای تنش – کرنش در دماهای مختلفتشکیل فاز آستنیت در طی حرارت دادن به فاز مارتنزیت با عبور از As شروع شده و در دمای بیش از Af تمام ساختار آلیاژ را در برمی‌گیرد. مارتنزیت فاز نرم با نظم بلوری کمتر و آستنیت با استحکام بالا و نظم بلوری بهتر می‌باشد. شکل 2-2 نمودار تنش – کرنش آلیاژ Ni-Ti را در دماهای مختلف نشان می‌دهد. منحنی آستنیت(T>Md) مانند رفتار یک ماده معمولی به نظر می‌رسد، در حالی که منحنی مارتنزیت (T<Mf) کاملاً غیر طبیعی است ]19[.
اثر حافظه‌دار بودن آلیاژ می‌تواند برای ایجاد حرکت، نیرو و یا هر دو به کار رود. پدیده‌های مختلف را مطابق نمودار‌های تنش – کرنش شکل 2-3 می‌توان تشریح نمود. یک سیم کششی مستقیم را که در انتها ثابت است، در نظر می‌گیریم. کشیدن سیم در دمای اتاق باعث افزایش طول آن پس از حذف بار می‌شود. اگر در دمای بیش از دمای استحاله(T>Af) به آن حرارت داده شود، سیم به حالت اولیه یعنی حالت بدون بار برمی‌گردد. سرد کردن بعدی سیستم تا دمای کمتر از Ms، باعث تغییر شکل ماکروسکوپی در آلیاژ نخواهد شد(اثر یک طرفه). اگر بعد از کشیده شدن سیم در دمای اتاق، از بازگشت آن به طول اولیه جلوگیری شود و تحت اثر حرارت در دمای بیش از دمای استحاله مارتنزیتی قرار گیرد، نیروی قابل توجهی ایجاد می‌کند. در حالت سوم اگر نیروی مخالف ایجاد شده توسط سیم بر شرایط موجود فائق آید، می‌تواند باعث ایجاد حرکت شود و کار انجام دهد. برای مثال به محض اعمال حرارت سیم منقبض شده و می‌تواند باری را بالا ببرد. با سرد کردن، بار موجود سیم مارتنزیت را خواهد کشید و مکانیزم به حالت اولیه باز می‌گردد(اثر دو طرفه)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 3 اثرات حافظه دار بودن در نمودارهای تنش – کرنشخاصیت سوپرالاستیسیته(فوق‌کشسانی)اگر یک سیم در دمای Md>T>Af بارگذاری شود، پس از رسیدن به مارتنزیت ناشی از تنش پدید می‌آید و در مقدار تنش تقریباً ثابت، طول سیم تا حدود 8% کرنش افزایش می‌یابد (شکل 2-4)، در این ناحیه رفتار غیرخطی ناشی از تبدیل تمام آستنیت به مارتنزیت مشاهده می‌شود. با حذف بار فاز مارتنزیت به‌ طور ارتجاعی به سطح تنش می‌رسد و از این نقطه استحاله معکوس از مارتنزیت به آستنیت رخ می‌دهد که نتیجه ناپایداری فاز مارتنزیت در دمای موجود است. در پایان، با تبدیل کامل فاز مارتنزیت به آستنیت، سیم به طور ارتجاعی طول اولیه خود را با ایجاد حلقه هیسترزیس تنش بدست می‌آورد ]37 [. این پدیده که با وجود رفتار غیرخطی، تغییر شکل دائمی را در برندارد، خاصیت فوق‌کشسانی نام دارد. به این ترتیب تحول فازی ناشی از القاء تنش در دمای ثابت، باعث شکل‌گیری رفتار سوپر الاستیک و حلقه هیسترزیس می‌شود. حلقه هیسترزیس‌ ناشی از انرژی فصل مشترک بین فازها، عیوب شبکه‌ای مانند جابجایی‌ها، عیوب ارتجاعی فازها، اندرکنش ارتجاعی فازهای متفاوت مجاور و غیره می‌باشد.
اگر فرآیند بارگذاری – باربرداری در دمای بالاتری انجام شود، تنش‌های استحاله به طور خطی افزایش می‌یابند و منحنی به سمت بالا(خطوط نقطه‌چین) جابجا می‌شود. (شکل 2-4).

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 4 نمودار تنش – کرنش فوق کشسان آلیاژ حافظه دار
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل * ARABIC s 1 5 مقایسه انعطاف پذیری سیم فولاد زنگ نزن و سیم فوق کشسانشکل2-5 انعطاف پذیری سیم فوق‌کشسان Ni-Ti را در مقایسه با سیمی از جنس فولاد زنگ نزن نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می شود ماده حافظه دار در مقایسه با ماده فلزی معمولی از خاصیت فنری بسیار بالاتری برخوردار است. در این حالت چون ماده در فاز آستنیت به سر می برد تغییر شکل در گستره زیادی از نیروی وارده قابل برگشت می باشد.
قابلیت استهلاکمواد کاملاً ویسکوالاستیک، قابلیت میرایی بالایی دارند؛ اما اغلب از استحکام کافی برخوردار نیستند. آلیاژهای حافظه‌دار موادی هستند که خاصیت میرایی بالا با استحکام نسبتاً زیاد را به همراه دارند. تحول فازی مارتنزیتی SMA، باعث اتلاف انرژی بالا در این آلیاژها می‌شود. میرایی فاز آستنیت کم است، اما اگر تحول فاز ناشی از القاء تنش و یا حرارت صورت گیرد، فاز مارتنزیت شکل می‌گیرد و باعث جذب و اتلاف انرژی می‌شود. میرایی فاز مارتنزیت، به علت جهت‌گیری مجدد دوقلوهای مارتنزیت تحت تنش کاملاً زیاد است.
حلقه هیسترزیس یعنی انرژی اتلافی در واحد حجم آلیاژهای حافظه‌دار در یک چرخه بارگذاری – باربرداری کاملاً بزرگ است و این خاصیت قابلیت استهلاک بسیار خوبی برای مواد حافظه دار فراهم می‌سازد (شکل 2-4). دمای استحاله(Af) و حلقه هیسترزیس با تغییر فرآیند ترمومکانیکی، ترکیب شیمیایی و فرآوری آلیاژ در محدوده وسیعی تغییر می‌کنند. شکل حلقه هیسترزیس علاوه بر عوامل فوق به کاربرد آلیاژ نیز وابسته است.
خاصیت استهلاک ارتعاش، در آلیاژهای NiTi حداقل ده برابر بیشتر ازآلیاژهای معمولی مانند فولاد، آلومینیم و برنج است. ظرفیت ویژه استهلاک این مواد در مقایسه با چدن خاکستری(10 تا 12%)، حدود 40% می‌باشد که بسیار نزدیک به پلاستیک سخت است ]26[. قابلیت استهلاک بالای آلیاژهای حافظه‌دار، استحکام برتر و عمر خستگی طولانی از مزیتهای این مواد در مقایسه با مواد ویسکوالاستیک است.
انواع آلیاژهای حافظه دارآلیاژهای حافظه‌دار در سه گروه عمده قرار می‌گیرند:
الف- آلیاژهای نیکل _ تیتانیم
ب- آلیاژهای حافظه‌دار پایه مس
ج- آلیاژهای حافظه دار پایه آهن
درتهیه و ساخت قطعات و یا سازه‌ها از آلیاژهای حافظه‌دار سه موضوع ذیل حائز اهمیت است:
خواص خوب و مناسب
فناوری تولید مناسب
هزینه ساخت کمتر.
اثر حافظه‌داری بسیار مطلوب آلیاژهای NiTi، بیشترین کاربردها را به آن‌ها اختصاص داده ولی به دلیل هزینه ساخت بالا توجه بیشتر محققین به سمت آلیاژهای پایه مس و پایه آهن جلب گردیده است. از این دو گروه، آلیاژهای حافظه‌دار پایه آهن به دلیل داشتن استحکام بالا و هزینه ساخت کمتر در اولویت هستند ]20[. در سال‌های‌ اخیر، در بین آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ مس، آلیاژهای بر آلیاژهای ترجیح داده می‌شوند.
روابط پایه در مواد کامپوزیت
روابط حاکم برای تنش صفحه ای
اغلب لایه ها به طور معمول نازک هستند و از حالت تنش صفحه ای تبعیت می کنند. برای یک چند لایه در صفحهx1 x2 ، مولفه های تنش عرضی σ13، σ23 و σ33 می باشند. (شکل 2-6)

شکل STYLEREF 1 s ‏26 یک تک لایه در شرایط تنش مسطح
اگرچه این مولفه های تنش در مقایسه با مولفه های σ11، σ12 و σ22 کوچک هستند ولی می توانند باعث شکست شوند زیرا لمینتهای کامپوزیتی فیبردار در جهت عرضی ضعیف هستند (زیرا قدرت تحمل نیروی فیبرها تنها در جهت صفحه x1 x2 می باشد). به همین دلیل مولفه های تنش برشی عرضی در تئوریهای تغییر شکل برشی صرف نظر نمی شوند. با این حال اکثر تئوریهای لایه ای از تنش نرمال عرضی σ33 صرفنظر می کنند. با در نظر نگرفتن σ33، معادله الاستیک حاکم برای لایه K ام یک چند لایه ارتوتروپیک به شکل زیر می باشد:
(2-1) σ1σ2σ6k=Q11Q120Q12Q22000Q66kε1ε2ε6k σ4σ5(k)=Q4400Q55(k)ε4ε5(k)که Qij(k)، سفتی تک لایه،σi مولفه های تنش و εi مولفه های کرنش می باشند. Qij(k) با استفاده از معادلات زیر به ویژگیهای مکانیکی مواد مرتبط می شوند.
Q11k=E1k1-υ12kυ21k Q12k=υ12kE2k1-υ12kυ21k(2-2) Q22k=E2k1-υ12kυ21k Q44k=G23k Q55k=G13k Q66k=G12kتوجه شود که سفتی تک لایه شامل شش ثابت مهندسی مستقل می باشد:
E1، E2، G12، G13، G23، υ12روابط تنش-کرنش تبدیل یافته یک تک لایه ارتوتروپیک در حالت تنش صفحه ای در مختصات هندسی سازه به شکل زیر می باشند:
(2-3) σxxσyyσxy=Q11Q12Q16Q12Q22Q26Q16Q26Q66εxxεyyγxy σyzσxz=Q44Q45Q45Q55γyzγxzکه در آن:
(2-4) Q11=Q11cos4θ+2Q12+2Q66sin2θcos2θ+Q22sin4θ Q12=Q11+Q22-4Q66sin2θcos2θ+Q12sin4θ+cos4θ Q22=Q11sin4θ+2Q12+2Q66sin2θcos2θ+Q22cos4θ.Q16=Q11-Q12-2Q66sinθcos3θ+Q12-Q22+2Q66sin3θcosθ.Q26=Q11-Q12-2Q66sin3θcosθ+Q12-Q22+2Q66sinθcos3θ Q66=Q11+Q22-2Q12-2Q66sin2θcos2θ+Q66sin4θ+cos4θ Q44=Q44cos2θ+Q55sin2θ Q45=Q55-Q44cosθsinθ Q55=Q55cos2θ+Q44sin2θکه در آن ө زاویه میان الیاف و سوی محور x1 می باشد (شکل 2-6).
انواع تئوریهای موجود برای سازه هاتحلیل صفحات کامپوزیتی در گذشته بیشتر بر اساس یکی از دیدگاههای زیر بوده است:
تئوریهای تک لایه هم ارز (دو بعدی)
الف) تئوری کلاسیک صفحات کامپوزیتی
ب) تئوری های تغییر شکل برشی صفحات کامپوزیتی
تئوری سه بعدی الاسیسیته (سه بعدی)
الف) فرمولاسیون سنتی الاسیسیته سه بعدی
ب) تئوریهای لایه ای
روشهای چند مدلی ( دو بعدی و سه بعدی)
تئوریهای تک لایه هم ارز از تئوری الاسیسیته سه بعدی و با فرضهای مناسب با توجه به سینماتیک تغییر شکل یا حالت تنش در ضخامت لایه ها مشتق شده است. این فرضیات اجازه می دهد که یک مساله سه بعدی به شکل دو بعدی درآید.
تئوری مرتبه اول برای صفحات کامپوزیتی
در این تئوری، فرض سوم کیرشهف از بین می رود و تنها دو فرض باقی می ماند:
خطوط صاف عمود بر صفحه میانی (نرمالهای عرضی) بعد از تغییر شکل عمود باقی نخواهند ماند.
نرمالهای عرضی دچار تغییر طول نخواهند شد.
بنابراین نرمالهای عرضی بعد از تغییر شکل دیگر عمود بر صفحه میانی نخواهند بود ]38[ (شکل 2-7).

شکل STYLEREF 1 s ‏27 هندسه تغییر شکل یافته و تغییر شکل نیافته یک لبه از ورق تحت فرضیه تئوری مرتبه اول
چنین چیزی اجازه در نظر گرفتن کرنشهای برشی عرضی را در این تئوری می دهد. عدم افزایش طول نرمالهای عرضی نیازمند آن است که w تابع مختصات ضخامت یعنی z نباشد. تئوری مرتبه اول صفحات کامپوزیتی یکی از تئوریهای ESL محسوب می شود که بر اساس میدان جابجایی زیر تعریف می شود:
(2-5) ux,y,z,t=u0x,y,t+zϕxx,y,t vx,y,z,t=v0x,y,t+zϕyx,y,t wx,y,z,t=w0x,y,tکه ϕy,ϕx,w0,v0,u0 توابعی ناشناخته هستند که می بایست تعیین شوند. w0,v0,u0 بیانگر جابجایی یک نقطه بر روی صفحه میانی می باشند. ϕx و -ϕy به ترتیب دوران پیرامون محورهای y و x می باشند (شکل 2-2):
(2-6) ∂u∂z=ϕx ∂v∂z=ϕyباید توجه شود که متغییرهایϕx و ϕy از قانون دست راست تبعیت نمی کنند. اگر فرض کنیم که متغییرهایβx,βy از قانون دست راست تبعیت می کنند و به ترتیب بیانگر دوران حول محورهای x و y باشند داریم:
(2-7) βx=-ϕy , βy=ϕxمقادیر ϕy,ϕx,w0,v0,u0 به نام جابجاییهای عمومی شناخته می شوند. برای صفحات نازک یعنی صفحاتی که نسبت کوچکترین بعد درون صفحه ای آنها به ضخامتشان از نسبتی بالاتر از 50 برخوردار است، توابع ϕx و ϕy تقریبا به مقادیر شیب خیز عرضی نزدیک می شوند یعنی داریم:
(2-8) ϕx=-∂w0∂x , ϕy=-∂w0∂y کرنشهای غیر خطی مربوط به میدان جایجایی با تقریب Von-Karman به شکل زیر بدست می آیند:
(2-9)

توجه شود که (εxx, εyy, γxy) در جهت ضخامت ورق خطی هستند درحالیکه کرنشهای برشی (γxz، γyz) در جهت ضخامت ورق در تئوری مرتبه اول، ثابت هستند.
فاکتور تصحیح برشیاز آنجا که کرنشهای برشی در جهت ضخامت کامپوزیت ثابت می باشند، بنابراین تنشهای برشی عرضی نیز ثابت باقی می مانند. از تئوری اولیه تیرهای همگن می دانیم که تنش برشی عرضی به شکل سهمی در ضخامت تیر تغییر می کند. در تیرها و ورقهای کامپوزیتی لایه ای تنشهای برشی عرضی حد اقل به شکل سهمی در جهت ضخامت تغییر می کنند. این اختلاف بین حالت تنش واقعی و حالت تنش ثابت تخمین زده شده توسط تئوری مرتبه اول اغلب با محاسبه نتایج نیروهای برشی عرضی (Qx, Qy) با ضرب انتگرالهای معادله (2-3) با پارامتر K تصحیح می شود که این پارامتر به نام ضریب تصحیح برشی شناخته می شود:

این نوشته در مقالات ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *