Моделирование привода с рабочим телом в виде стержня из сплава с памятью формы и упругим элементом смещения с учетом трансляционного упрочнения
Автор: Гаганова Н.В.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.17, 2024 года.
Бесплатный доступ
Для создания рабочих тел приводов широко применяются сплавы с памятью формы. Движение рабочего тела обеспечивается накоплением деформаций прямого превращения при охлаждении и явлением памяти формы при нагреве. В данной работе моделируется поведение привода, состоящего из последовательно соединенных стержня из сплава с памятью формы и упругого элемента смещения, в рамках объединенной модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы с учетом изотропного и трансляционного упрочнения. Для описания неупругого деформирования по структурному механизму в мартенситном состоянии и при термоупругих фазовых переходах используется поверхность нагружения в пространстве девиаторов напряжений. Параметром изотропного упрочнения в уравнении поверхности нагружения служит максимальное значение интенсивности фазово-структурной деформации, осредненной по мартенситной части представительного объема. Во время прямого термоупругого превращения, кроме образования мартенситных элементов, учитывается также их развитие. Производится сравнение численных результатов моделирования рабочего хода с полученными ранее данными без трансляционного упрочнения, определяются условия, при которых этот вид упрочнения можно не принимать во внимание. Выявлено, что деформирование по структурному механизму и трансляционный сдвиг поверхности нагружения возможны во время приложения полезной нагрузки и в течение рабочего хода. Установлено, что трансляционный сдвиг центра поверхности нагружения заметно отражается на уровне напряжений и смещении точки соединения рабочего тела и тела смещения при рабочем ходе, максимальные значения этих параметров достигаются в конце рабочего хода и не зависят от модуля трансляционного упрочнения. Влияние трансляционного упрочнения на результаты моделирования значительно снижается при увеличении как начальной деформации рабочего тела, так и отношения податливостей упругого тела смещения и рабочего тела. За время совершения холостого хода центр поверхности нагружения не меняет своего положения, учет трансляционного упрочнения не сказывается на подборе параметров системы, обеспечивающих замкнутый цикл, то есть на возвращение системы в исходное состояние после холостого хода.
Привод, сплавы с памятью формы, объединенная модель, трансляционное упрочнение, изотропное упрочнение
Короткий адрес: https://sciup.org/143183406
IDR: 143183406 | DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.3.23
Modeling of an actuator body consisting of a shape memory alloy rod and an elastic displacement body taking into account translational hardening
One of the applications of shape memory alloys is automotive industry, where they can be used as a material for working bodies of actuators. The movement of the working body is provided by the accumulation of direct transformation deformation during cooling and the shape memory effect during heating. In this paper, the behavior of the actuator, which consists of the rod made from shape memory alloy and the series-connected elastic displacement body, is studied in the framework of the combined model of nonlinear deformation taking into account isotropic and translational hardening. Inelastic deformation produced by the structural transformation in the martensitic state and during thermoelastic phase transitions is described with the use of a loading surface in the stress deviator space. The maximum value of the intensity of phase-structural deformation averaged over the martensitic part of the representative volume is assumed as a non-integral isotropic hardening parameter in the loading surface equation. The formation of martensitic elements during direct thermoelastic transition as well as their evolution are considered. The results of numerical modeling of the working stroke are compared with the data obtained without translational hardening, and the conditions, at which translational hardening can be ignored, are determine. Analysis shows that deformation by a structural mechanism and translational shift of the loading surface are possible under the action of the applied payload and during the working stroke. It has been found that during the working stroke the translational shift of the center of the loading surface significantly affects the stress level in the shape memory rod and the displacement of the point of connection of the working body and translational body. The maximum values of these parameters are reached at the end of the working stroke and are independent of the hardening modulus. The effect of the translational hardening on the results of simulation significantly reduces with an increase in the initial deformation of the working body and an increase of the ratio of the working body flexibility to the elastic body flexibility. It is shown, that during the idle stroke the center of the loading surface is not displaced. The consideration for translational hardening does not affect the selection of parameters providing closeness of the cycle, i.e. the return of the system to its initial state after idling.
Список литературы Моделирование привода с рабочим телом в виде стержня из сплава с памятью формы и упругим элементом смещения с учетом трансляционного упрочнения
- Лихачёв В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П.Эффект памяти формы. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. 218 с.
- Thamburaja P. Constitutive equations for martensitic reorientation and detwinning in shape-memory alloys // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2005. Vol. 53. P. 825–856. DOI:10.1016/j.jmps.2004.11.004
- Мовчан А.А., Казарина С.А. Материалы с памятью формы как объект механики деформируемого твердого тела: экспериментальные исследования, определяющие соотношения, решение краевых задач // Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15, № 1. C. 105–116.
- Тихомирова К.А. Экспериментальноеи теоретическое исследование взаимосвязи фазовой и структурной деформации в сплавах с памятью формы // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2018. № 1. C. 40–57. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.1.04
- Тихонов А.С., Герасимов А.П., Прохорова И.И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. 81 с.
- Kheirikhah M.M., Rabiee S., Edalat M.E. A Review of Shape Memory Alloy Actuators in Robotics // RoboCup 2010: Robot Soccer World Cup XIV. 2011. P. 206–217. DOI:10.1007/978-3-642-20217-9_18
- Butera F., Coda A., Vergani G. Shape memory actuators for automotive applications // Proc. of the Intern. Conf. “Nanotec IT newsletter”. 2007. P. 12–16. DOI:10.1016/j.matdes.2013.11.084
- Вяххи И.Э., Гончарук П.Д., Иванькин М.А., Лаврухин Г.Н., Мовчан А.А., Семенов В.Н., Чевагин А.Ф. Технические решения для адаптивных авиационных конструкций с использованием сплавов с памятью формы // Ученые записки ЦАГИ. 2007. Т. 38, №3/4. C. 158–168.
- Hartl D.J., Lagoudas D.C. Aerospace applications of shape memory alloys // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2007. Vol. 221, no. 4. P. 535–552. DOI: 10.1243/09544100JAERO211
- Solomou A.G., Machairas T.T., Saravanos D.A. A coupled thermomechanical beam finite element for the simulation of shape memory alloy actuators // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2014. Vol. 25, no. 7. P. 890–907. DOI: 10.1177/1045389X14526462
- Jani J.M., Huang S., Leary M., Subic A. Numerical modeling of shape memory alloy linear actuator // Computational Mechanics. 2015. Vol. 56, no. 3. P. 443–461. DOI: 10.1007/s00466-015-1180-z
- Мовчан А.А., Мозафари А. Поведение актуатора, содержащего стержень из сплава с памятью формы и упругий элемент смещения // Механика композиционных материалов и конструкций. 1997. Т. 3, №2. C. 87–101.
- Мовчан А.А., Экстер Н.М. Актуатор с последовательным соединением стержня из сплава с памятью формы и упругого элемента смещения // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27, № 2. C. 169–190. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.169_190.02
- Мовчан А.А., Экстер Н.М. Теоретический анализ работы силовозбудителя с рабочим телом в виде стержня из сплава с памятью формы и упругом элементом смещения // Деформация и разрушение материалов. 2022.№10. C. 9–20. DOI: 10.31044/1814-4632-2022-10-9-20
- Mohd Jani J. Design Optimisation of Shape Memory Alloy Linear Actuator Applications: PhD thesis / Mohd Jani J. Melbourne: RMIT University, 2016. P. 293.
- Tanaka K. A Phenomenological Description on Thermomechanical Behavior of Shape Memory Alloys // Journal of Pressure Vessel Technology. 1990. Vol. 112, no. 2. P. 158–163. DOI: 10.1115/1.2928602
- HuangW. “Yield” surfaces of shape memory alloys and their applications // Acta Materialia. 1999. Vol. 47, no. 9. P. 2769–2776. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00119-6
- Lexcellent C., Boubakar M.L., Bouvet C., Calloch S. About modelling the shape memory alloy behaviour based on the phase transformation surface identification under proportional loading and anisothermal conditions // International Journal of Solids and Structures. 2006. Vol. 43, no. 3/4. P. 613–626. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2005.07.004
- Hartl D.J., Lagoudas D.C., Calkins F.T. Advanced methods for the analysis, design, and optimization of SMA-based aerostructures // Smart Materials and Structures. 2011. Vol. 20, no. 9. 094006. DOI: 10.1088/0964-1726/20/9/094006
- Jape S., Baxevanis T., Lagoudas D.C. On the fracture toughness and stable crack growth in shape memory alloy actuators in the presence of transformation-induced plasticity // International Journal of Fracture. 2018. Vol. 209, no. 1/2. P. 117–130. DOI: 10.1007/s10704-017-0245-8
- Cisse C., ZakiW., Ben Zineb T. A review of constitutive models and modeling techniques for shape memory alloys // International Journal of Plasticity. 2016. Vol. 76. P. 244–284. DOI: 10.1016/j.ijplas.2015.08.006
- Тихомирова К.А. Феноменологическое моделирование фазовых и структурных деформаций в сплавах с памятью формы. Одномерный случай // Вычислительная механика сплошных сред. 2018. Т. 11, № 1. C. 36–50. DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.1.4
- Мишустин И.В., Мовчан А.А. Аналогтеории пластического течения для описаниядеформациимартенситной неупругости в сплавах с памятью формы // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2015.№2. C. 78–95.
- Мовчан А.А. Модель влияния фазового механизма деформирования на структурных в сплавах с памятью формы // Деформация и разрушение материалов. 2019.№7. C. 14–23. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-7-14-23
- Liu Y., Xie Z., Van Humbeeck J., Delaey L. Asymmetry of stress–strain curves under tension and compression for NiTi shape memory alloys // Acta Materialia. 1998. Vol. 46, no. 12. P. 4325–4338. DOI: 10.1016/S1359-6454(98)00112-8
- Мовчан А.А. Модель неупругого деформирования сплавов с памятью формы // Деформация и разрушение материалов. 2021.№3. C. 8–17. DOI: 10.31044/1814-4632-2021-3-8-17
- Мовчан А.А., Сильченко А.Л., Казарина С.А. Экспериментальное исследование и теоретическое моделирование эффекта перекрестного упрочнения сплавов с памятью формы // Деформация и разрушение материалов. 2017. №3. C. 20–27.
- Каменцева З.П., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Исследование деформационного упрочнения никелида титана // Проблемы прочности. 1980.№9. C. 87–91.
- Мовчан А.А. Феноменологическая модель изменения фазово-структурных деформаций в сплавах с памятью формы // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2020. № 4. C. 140–151. DOI: 10.31857/S0572329920030113
- Гаганова Н.В. Описание мартенситной неупругости после ориентированного превращения с учетом развития мартенситных элементов в рамках объединенной модели деформирования сплавов с памятью формы // Механика композиционных материалов и конструкций. 2022. Т. 28, №4. C. 495–510. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2022.28.04.495_510.05
- Гаганова Н.В. Учет развития мартенситных элементов в объединенной модели деформирования сплавов с памятью формы в случае трансляционного упрочнения // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27, №3. C. 295–308. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2021.27.03.295_308.01
- Lagoudas D.S., Bo Z., Quidwai M.A. A unified thermodynamics constitutive model for SMA and finite element analysis of active metal matrix composites // Mechanics of Composite Materials and Structures. 1996. Vol. 3. P. 153–179.
- Мовчан А.А., Казарина С.А., Сильченко А.Л. Экспериментальное определение начала структурного перехода в никелиде титана после ориентированного превращения // Деформация и разрушение материалов. 2022. № 12. C. 2–9. DOI: 10.31044/1814-4632-2022-12-2-9
