بخشی از مقاله
چکیده
بسیاری از فن آوری های نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی، سرامیکی و پلیمر های معمولی حاصل نمی آید. به عنوان نمونه مواد مورد نیاز در سفینه های فضائی، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ،استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد.از این رو استفاده از کامپوزیت های تقویت شده به وسیله آلیاژی با ویژگی های خاص، مانند سوپر الاستیسیته، مورد توجه قرار می گیرد.
در این مقاله تلاش شده تا یک ورق کامپوزیت حاوی لایه های آلیاژ حافظه دار در محیط نرم افزار انسیس تحت تحلیل خمشی غیر خطی قرار گیرد تا با بدست آوردن تنش و کرنش در نقاط مختلف و در شرایط مرزی متقاوت، خاصیت سوپر الاستیسیته مدل بررسی شود .
تفاوت نمودار های تنش-کرنش در حالت های کرنش خطی و غیر خطی در بارگذاری های متفاوت، خیز مدل در شرایط مرزی مختلف و مزیت آلیاژ حافظه دار نسبت به فولاد با مدل سازی ورق کامپوزیت حاوی لایه های فولاد نشان داده شده است.
-1مقدمه
در سال های اخیر آلیاژ های حافظه دار - SMA - با ویژگی های متمایز و برتر طیف وسیعی از تحقیقات و کاربرد های جدید را به خود اختصاص داده اند. این مواد فلزی بعد از تغییر شکل غیر خطی زیاد با اعمال حرارت و تغییرات دمایی به شکل اولیه خود بر می گردند و در محدوده دمای خاص می توانند تا حدود 10-15% تحت کرنش قرار گیرند و پس از باربرداری به شکل اولیه خود بر گردند. این خواص غیر معمول به ترتیب حافظه داری و سوپر الاستیسیته گفته می شود
مبنای پدیده حافظه داری این آلیاژ ها تحول مارتنزیتی است؛ یعنی در طول اعمال فرایند های حرارتی، مکانیکی و یا حرارتی-مکانیکی دچار تحول فازی آستنیت به مارتنزیت و یا بر عکس می شود، طوری که می توانند به ساختار فاز اصلی برگردند. اثر سوپر الاستیک آنها نیز ناشی از همان تحول فازی و تبدیل غیر نفوذی جامد-جامد بین فاز بلوری مرتبه بالای آستنیت و فاز بلوری مرتبه پایین مارتنزیت می باشد. به طور کلی آستنیت در مقادیر تنش کمتر و دماهای بالاتر و مارتنزیت در مقادیر تنش بالاتر و دماهای کمتر پایدار اند
قابلیت ذخیره انرژی و استهلاک بالای این آلیاژ ها ناشی از جا به جایی عیوب داخلی و اتم ها و اصطکاک داخلی بسیار زیاد دو قلویی های موجود در فاز مارتنزیت و یا ترکیب فاز های مارتنزیت و آستنیت می باشد که پس از تحول فازی حاصل از اعمال تنش و یا حرارت صورت می گیرد.
آلیاژ های NiTi به دلیل خواص مکانیکی بی همتای خود نسبت به سایر آلیاژ های حافظه دار، توجه اغلب پژوهش گران را به خود جلب کرده اند. استحکام کششی نهایی خیلی خوب - تا - 1000Mpa، افزایش طول %50 تا تغییر فاز پلاستیک، بازیابی تنش تا 800Mpa ، بازیابی کرنش تا حدود %8 و قابلیت میرایی عالی، خواصی از این مواد به حساب می آیند
اثر حافظه شکلی، سوپر الاستیسیته، قابلیت بالای استهلاک، سازگاری زیستی خوب، مقاومت بالا، مقاومت به خوردگی عالی و انعطاف پذیری باعث شده اند که آلیاژ های حافظه دار کاربرد های فراوانی را در شاخه های پزشکی، صنایع و به ویژه هوا فضا به خود اختصاص دهند. از کاربرد های پزشکی آنها به ایمپلنت های ارتوپدی، فیلتر ها، سیم های ارتودنسی، انبرک بافت برداری و استنت ها - میکرو سازه های خود انبساط - برای رفع انسداد اندام تو خالی یا سیستم لنفاوی بدن می توان اشاره کرد.
کوپلینگ ها و محکم کننده ها، مکانیزم های رها کننده، عملگرهای حرارتی و الکتریکی و میکرو عملگرها در ایستگاه های فضایی، ماهواره یا ربات ها مانند مسیر یاب فضایی و نیز برخی اجزا تلسکوپ فضایی هابل مواردی از کاربرد های غیر پزشکی آلیاژهای حافظه دار هستند
در 20 سال اخیر، به کار گیری SMA در تجهیزات عایق سازی و جذب و کنترل ارتعاشات مختلف از جمله زمین لرزه در کشور های پیشرفته یکی دیگر از کاربرد های گسترده این مواد می باشد.[8-12] قابلیت ایجاد سفتی متغیر و امکان تنظیم سفتی سیم های SMA باعث شده است که جاذب های ارتعاشی قابل تنظیم بر اساس سیم های SMA مورد مطالعه و بررسی قرار گیرند. امکان کنترل ارتعاشات در پهنای وسیع تری از فرکانس کاری در مقایسه با جاذب های غیر فعال، از مزیت های این کاربرد می باشد.
اغلب تحلیل ها و آنالیز های دو بعدی اجزاء محدود برای صفحه ها و پوسته بر پایه هایی که در سازه های هوشمند به کار می روند، تئوری کلاسیک صفحات یا تئوری لایه ای صفحات می باشد که در آن میدان جابه جایی در طول ضخامت، به صورت خطی در نظر گرفته شده است
میشل و ردی معادلات حرکت ورق کامپوزیتی با لایه های پیزوالکتریک را مورد بررسی قرار داده اند. این معادلات که بر اساس روش انرژی به دست آمده، محاسبات آن بر اساس کوپلینگ بین تغییر شکل های مکانیکی و تغییرات شارژ الکتریکی انجام شده است.
روش کانتروویچ توسط کر [16] در سال 1968 برای حل مسئله پیچش میله منشوری با مقطع مستطیل شکل مورد استفاده قرار گرفت. پس از آن این روش برای حل مسائل مختلف در الاستیسیته دو بعدی از جمله خمش ورق نازک ایزوتروپ [17] حل مسئله مقدار ویژه در سال 1969 توسط کر [18] ارتعاشات آزاد [19] کمانش [20-22] و آنالیز کرنش [23] توسط کیم مورد استفاده قرار گرفت.
اقدم [24] تحلیل خمشی در ورق مستطیلی از نوع رازنر و ایزوتروپیک تکیه گاه گیر دار به دست آورده است . پس از آن اقدم و فلاحتگر [25] همان مدل را برای رسیدن به رفتار خمشی در ورق های مستطیلی ضخیم بسط دادند. کر و دالایی [26] ورق لایه ای مستطیلی مبتنی بر تئوری کلاسیک را بررسی کرده و دریافتند که همگرایی در جواب روشی که مبتنی بر روش کانتروویچ تعمیم یافته است بسیار سریع بوده و شکل نهایی پاسخ به دست آمده مستقل از نخستین انتخاب است .
کر و الکساندر [27] نشان دادند که روش تکرار شونده به تندی همگرا بوده و شکل نهایی معادله به دست آمده مستقل از انتخاب اولیه gy - n - است. به علاوه هر چند روش کانتروویچ نوسعه یافته مبتنی بر اصل تغییرات است، تابع آزمون اولیه لازم نیست هیچکدام از شرایط مرزی هندسی و طبیعی را ارضاء کند . روش تکرار شونده پاسخ هایی می دهد که سرانجام تمام شرایط مرزی را ارضاء می کند.
در این مقاله ورق کامپوزیتی مستطیلی با استفاده از نرم افزار انسیس که روش تکرار شونده را در تحلیل ها دنبال می کند، در شرایط مرزی مختلف و در حالت های کرنش خطی و غیر خطی تحت تحلیل خمشی قرار گرفته و تنش-کرنش نقاط مختلف لایه آلیاژ حافظه دار با نمودار تنش-کرنش تجربی مقایسه شده است.
-2ویژگی مواد اولیه
به منظور مدل سازی ابتدا باید مؤلفه های مواد به کار برده شده در مدل تعریف گردند :
کامپوزیت مورد استفاده در مدل با نام تجاری epoxy carbon UD - 230 Gpa - prepreg می باشد که در جدول 1 خواص این کامپوزیت شرح داده شده است.
جدول :1 خواص کامپوزیت مورد استفاده در مدل
آلیاژ حافظه دار به کار رفته شده در این مدل نیکل-تیتانیوم با نام صنعتی نیتینول - NiTi - بوده که یکی از پرکاربرد ترین مواد حافظه دار است و با توجه به نمودار تنش-کرنش این ماده در دمای 50 c مشخص است که بر خلاف انواع دیگر فلزات و آلیاژ ها، توانایی بازیابی خود را دارد.
