شبیه‌سازی و بهینه‌سازی کابل های آلیاژ حافظه‌دار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

در این پژوهش رفتار مکانیکی کابل‌های آلیاژ حافظه‌دار و اجزای آن با استفاده از معادلات ساختاری سه‌بعدی و به روش حل ضمنی در نرم‌افزار آباکوس با استفاده از زیربرنامه ماده تعریف شده توسط کاربر مطالعه شده است. پارامتر‌های مادی با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی و نتایج تجربی موجود استخراج گردیده است. تحلیل اجزاء محدود ابتدا برای کابل فولادی الاستیک و سپس کابل سوپرالاستیک آلیاژ حافظه‌دار صورت می‌پذیرد. مقایسه‌ نتایج عددی و تجربی برای این دو نوع کابل بیانگر دقت قابل قبول نتایج بدست آمده و اطمینان از صحت روش شبیه‌سازی در کار حاضر است. در ادامه، عملگر کابل آلیاژ حافظه‌دار تحت ویژگی حافظه‌شکلی شبیه‌سازی گردیده و رفتار مکانیکی کابل با ارائه نمودارهای تنش نرمال، تنش برشی، کرنش و دما برای هر دو ویژگی سوپرالاستیسیته و حافظه‌شکلی بررسی شده است. همچنین، بهینه‌سازی کابل آلیاژ حافظه‌دار تحت ویژگی حافظه‌شکلی با هدف دستیابی به بیشترین انرژی مخصوص کابل به کمک روش طراحی آزمایش‌ها مطالعه شده است. روش ارائه شده در این تحقیق، برای طراحی و بهینه‌سازی عملگرهای کابل حافظه‌دار قابل استفاده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation and optimization of shape memory alloy cables

نویسندگان [English]

  • saeed vahidi
  • Jamal Arghavani
  • alireza ostadrahimi
Department of Mechanical Engineering, sharif University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this work, using a three-dimensional constitutive model and implicit solution through a user defined subroutine (UMAT) in Abaqus software, mechanical behavior of shape memory alloy (SMA) cables and their constituents are investigated. Material parameters of shape memory alloy cables are identified by numerical simulations and available experimental data. Finite element (FE) method is first employed for analysis of an elastic steel cable and subsequently for a superelastic (SE) cable. The simulation results for these two steel and SE cables show good agreement when compared with experimental data which also validates the simulation approach. The wire rope is then simulated for shape memory effect (SME) cables and investigating mechanical behavior and several diagrams including normal stress, shear stress, strain and temperature for both superelastic and shape memory effect cables are presented. Moreover, utilizing the design of experiments method, shape memory effect cable is optimized to achieve the maximum specific energy. The method proposed in this study can be used for the design and optimization of shape memory alloy wire ropes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shape Memory Alloy cable
  • Superelasticity
  • Shape Memory Effect
  • Actuator
  • Design of Experiment
[1] Reedlunn B S, Daly and J Shaw 2012 Superelastic Shape Memory Alloy Cables: Part I – Isothermal Tension Experiments Int. J. Solids Struct. 50(20-21) 3009-3026.
[2] Costello G A 1998 Theory of wire rope New York: Springer.
[3] Utting W S, Jones N 1987 The response of wire rope strands to axial tensile loads Part I: experimental results and theoretical predictions Int. J. Mec. Sci. 29 605-619.
[4] Stanova E G, Fedorko M, Fabian and Kmet S 2011 Computer modelling of wire strands and ropes Part I: Theory and computer implementation Advances in Engineering Software. 42 305-315.
[5] Stanova E G, Fedorko M, Fabian and Kmet S 2011 Computer modelling of wire strands and ropes part II: Finite element-based applications Advances in Engineering Software. 42 322-331.
[6] Wang D D, Zhang S Wang and S Ge 2012 Finite element analysis of hoisting rope and fretting wear evolution and fatigue life estimation of steel wires Engineering Failure Analysis. 27 173-193.
[7] Lagoudas D C 2008 Shape Memory Alloys: Modeling and Engineering Applications New York: Springer.
[8] Meier B 2007 http://www.nytimes.com/2007/ 10/16/business/16device.html.
[9] Ft Wayne Metals 2010 Personal communication http://www.fwmetals.com/
strands.php.
[10] Mirzaeifar R R, DesRoches and Yavari A 2010 A combined analytical, numerical, and experimental study of shape-memory-alloy helical springs Int. J. Solids Struct.48 611-624.
[11] Reedlunn B S, Daly and J Shaw 2012 Superelastic Shape Memory Alloy Cables: Part II – Subcomponent Isothermal Responses Int. J. Solids Struct.50(20-21) 3027-3044.
[12] Tanaka K 1986 A thermo mechanical sketch of shape memory effect: one-dimensional tensile behavior Res. Mech.18 63–251.
[13] Liang C and Rogers C A 1990 One-dimensional thermo mechanical constitutive relations for shape memory materials J. Intell. Mater. Syst. Struct.1 34– 207.
[14] Brinson L C 1993 One-dimensional constitutive behavior of shape memory alloy: thermo mechanical derivation with non-constant material functions and redefined martensite internal variable J. Intell. Mater. Syst. Struct.4 42–229.
[15] Fremond M 1996 Shape Memory Alloy: a Thermo mechanical Macroscopic Theory Cism Courses and Lectures, New York: Springer.351 3–68.
[16] Auricchio F and Lubliner J 1997 A uniaxial model for shape memory alloys Int. J. Solids Struct.34 3601–18.
[17] Souza A C, Mamiya E and Zouain N 1998 Three-dimensional model for solids undergoing stress induced phase transformations Eur. J. Mech. A: Solids 17 789-806.
[18] Auricchio F and Petrini L 2004 A three-dimensional model describing stress-temperature induced solid phase transformations: thermomechanical coupling and hybrid composite applications Int. J. Numer. Methods Eng.61 716–37.
[19] Arghavani J, Auricchio F, Naghdabadi R and Sohrabpour S 2010 A 3-D phenomenological constitutive model for shape memory alloys under multiaxial loadings Int. J. Plast.26 976–91.
[20] Arghavani J, Auricchio F, Naghdabadi R and Sohrabpour S 2011 An improved, fully symmetric, finite strain phenomenological constitutive model for shape memory alloys Finite Elem. Anal. Des.47 166–74.
[21] Qidwai M A, Lagoudas D C 2000 Numerical implementation of a shape memory
[22] alloy thermomechanical constitutive model using return mapping algorithms
[23] Int. J. Numer. Methods Eng.47 1123–1168.
[24] Feyer K 2007 Wire Ropes – Tension, Endurance, Reliability Berlin: Springer.
[25] Montgomery D C 2008 Design and Analysis of Experiments John Wiley & Sons