بخشی از مقاله
بررسی مدلسازی آلیاژ های حافظه دار شکلی در نرم افزار آباکوس
خلاصه
آلیاژهای حافظهدار شکلی (Shape Memory Alloy) یا به اختصار SMA عنوان گروهی از مواد هوشمند میباشند که خواص متمایز و برتری نسبت به سایر آلیاژها دارند. رفتار تنش- کرنش این مواد دو پدیده غیرخطی خاص را در برمیگیرد، اثر حافظهداری و اثر شبهالاستیک. رفتار آلیاژ طی این دو اثر بهگونهای است که بعد از ورود آن به حالت پلاستیک، ماده شکل اولیه خود را بازیابی خواهد کرد. پژوهش انجامشده بر پایه مدلسازی رفتار آلیاژهای حافظهدار در نرمافزار ABAQUS و با استفاده از کد یومت میباشد. توانایی بازیابی کرنش نسبتا زیاد پسماند مهمترین خصیصه این مواد بوده و طراحی اتصالات جداشدنی بر پایه همین خصوصیت انجامشده است. تهیه کد یومت خواص آلیاژ حافظهدار امکان هرگونه استفاده از امکانات ABAQUS جهت تحلیل رفتار سازههای هوشمند ساخته شده با آلیاژ حافظهدار را برای طراح فراهم میسازد. لذا در این تحقیق سعی شده است تا با ارائه کد به زبان فرترن راه مدلسازی سازه های مجهز به این مواد هموارتر گردد.
کلمات کلیدی: آلیاژ حافظه دار شکلی، هوشمند، کد یومت
.1 مقدمه
بخش اول: آلیاژهای حافظه دار شکلی در سال 1930 کشف شده ودر دهه شصت میلادی و به میزان بیشتری در دهه 80 میلادی و هنگامی که ایده مواد هوشمند معرفی شد، مورد توجه بسیاری قرار گرفتند .[1] آلیاژهای حافظه دار شکلی در استفاده های کاربردی تقریبا به سه نوع آلیاژهای نیکل-تیتانیوم، آلیاژهای بر پایه مس و آلیاژهای آهن محدود می شوند. در سال 1960، بوهلر و وایلی آلیاژهای نیکل تیتانیوم (NiTi) را در آزمایشگاه جنگ افزار نیروی دریایی (NOL) کشف کردند. برای احترام به محل کار آنها، این خانواده از آلیاژها را نیتینول نامیدند .[2]
در نیتینول، اثر حافظه دار شکلی و فوق الاستیکی بدلیل تبدیل بین دو سازه کریستالی با ترکیب شیمیایی یکسان با نام های استنیت و مارتنزیت رخ می دهد. این تبدیل که بدون تغییر حالت در جامدات، اثر حافظه دار شکلی و فوق الاستیکی ایجاد می کند، تبدیل مارتنزیتی نام دارد. در مدت این تبدیل، اتم ها به صورت تعاونی با ایجاد اعوجاج به یک ساختار کریستالی متفاوت با ترکیب شیمیایی یکسان، تغییر چیدمان می دهند. در SMA ها (آلیاژ های حافظه دار شکلی )، تبدیل مارتنزیتی، مواد را از حالت اصلی اولیه، یا حالت دمای بالا (انرژی بالا) با نام استنیت، به یک حالت دمای پایین (انرژی پایین ) با نام مارتنزیت تبدیل می کند. در تنش حالت آزاد، یک SMA دارای چهار دمای تبدیل است: Ms و Mf در حین سرمایش و AS و AF در حین گرمایش. دو دمای اول (با (Ms>Mf به ترتیب دما در شروع و پایان تبدیل مستقیم (تبدیل از آستنیت به مارتنزیت) را نشان می دهند. دو دمای بعدی (با (As<Af دماهای شروع و پایان تبدیل معکوس(تبدیل از مارتنزیت به آستنیت) هستند، Af دمایی است که بالاتر از آن مارتنزیتکاملاً ناپایدار می شود .[2]
حالت دمای بالا یا استنیت، یک شبکه فضایی (مکعبی) توپر است که در شکل 1 با a=.3015nm نشان داده شده است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، در نیتینول هر اتم نیکل با هشت اتم تیتانیوم احاطه شده است، اتم هایNi و Ti در سلول واحد، در بیشینه فاصله از هم قرار دارند. در واقع ویژگی هایی که استفاده از این مواد را گسترده ساخته ریشه در تبدیل مارتنزیتی این مواد دارد که خاصیت فوق الاستیکی و حافظه دار شکلی یعنی توانایی بازگشت به شکل اولیه مواد از مهم ترین این خصوصیات است.
شکل :1 سلول واحد آستنیت [2]
نمودار رفتاری آلیاژ های حافظه دار شکلی در شکل 2 نشان داده شده است، که بدلیل رفتار هیسترزیس آن قابلیت بازگشت پذیری را بوجود می آورد.
شکل :2 نمودار رفتاری آلیاژ حافظه دار شکلی [3]
بخش دوم: یکی از پر کاربردترین نرم افزار ها در زمینه انجام آنالیز های اجزای محدود نرم افزار آباکوس است، این نرم افزار در ابتدا برای کاربرد در انرژی هسته ای و مهندسی حفاری طراحی شده بود چرا که مهندسین در این شاخه ها به ابزاری برای مطالعه مسائل پیچیده و غیر خطی نیاز داشتند. از آنجا که این نرم افزار بر اساس مسائل غیر خطی بنا گذاری شده توانایی بالایی جهت شبیه سازی جهان واقعی دارد. این نرم افزار به کاربر توانایی مدل کردن پیچیده ترین پدیده ها را با در نظر گرفتن اثرات بسیار ظریف می دهد. بدین ترتیب با توسعه دامنه وسیع صنایع در سالهای 1980 تا 1990 این نرم افزار به عنوان نرم افزار منتخب در میان سایر نرم افزار ها جایگاه ویژه ای یافت. آباکوس توانایی مدل کردن مصالحی که رفتار دو خطی دارند را بدون کمک گرفتن از برنامه نویسی انجام می دهد ولکن در مورد مصالحی که مانند آلیاژهای حافظه دار شکلی دارای حرکت رفت و برگشتی هستند باید از تکنیک های برنامه نویسی که از به عنوان یومت یا ساب روتین یاد می شود استفاده کرد.
.2 روش کار
برای کد نویسی رفتار آلیاژ حافظه دار شکلی از برنامه نویسی به زبان فرترن در محیط ویژوال استفاده شده است. لازم به ذکر است قبل از تحلیل باید ارتباط بین نرم افزار آباکوس و ویژوال استودیو و همچنین اینتل فرترن برقرار شود که با فرض آگاهی از این موضوع از ذکر آن در اینجا صرف نظر می شود. برای شروع کدنویسی پارامترهای موجود در شکل 3 را ببینید.
شکل :3 پارامترهای مورد استفاده در برنامه نویسی [3]
کد نوشته شده به صورت زیر است که لازم است ذکر کنیم که سه بخش اول در همه سابروتین ها یکسان است و پس از این سه بخش خصوصیات مصالح SMA باید وارد شود که در اینجا مقادیری برای این خصوصیات وارد نشده است:
