Моделирование привода с рабочим телом в виде стержня из сплава с памятью формы и упругим элементом смещения с учетом трансляционного упрочнения
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.3.23Ключевые слова:
привод, сплавы с памятью формы, объединенная модель, трансляционное упрочнение, изотропное упрочнениеАннотация
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.
Скачивания
Библиографические ссылки
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
###
Likhachev V.A., Kuz’min S.L., Kamentseva Z.P. Effekt pamyati formy. Leningrad: Izd-vo LGU, 1987. 218 p.
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
Movchan A.A., Kazarina S.A. Shape memory materials as an object of solid state mechanics: Experimental study, constitutive relations, solution of boundary value problems. Physical Mesomechanics. 2012. Vol. 15. P. 214–223. DOI: 10.1134/S1029959912020099
Tikhomirova K.A. Experimental and theoretical study of the relation between phase and structural deformations in shape memory alloys. PNRPU Mechanics Bulletin. 2018. No. 1. P. 40–57. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.1.04
Tikhonov A.S., Gerasimov A.P., Prokhorova I.I. Primeneniye effekta pamyati formy v sovremennom mashinostroyenii. Moscow: Mashinostroyeniye, 1981. 81 p.
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
Vyahkhi I.E., Goncharuk P.D., Ivan’kin M.A., Lavruhin G.N., Movchan A.A., Semenov V.N., Chevagin A.F. Tekhnicheskiye resheniya dlya adaptivnykh aviatsionnykh konstruktsiy s ispol’zovaniyem splavov s pamyat’yu formy. TsAGI Science Journal. 2007. Vol. 38, no. 3/4. P. 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
Movchan A.A., Mozafary A. Povedeniye aktuatora, soderzhashchego sterzhen’ iz splava s pamyat’yu formy i uprugi˘ı element smeshcheniya. Journal on Composite Mechanics and Design. 1997. Vol. 3, no. 2. P. 87–101.
Movchan A.A., Ekster N.M. Actuator with a series connection of a shape memory alloy’s rod and an elastic bias element. Journal on Composite Mechanics and Design. 2021. Vol. 27, no. 2. P. 169–190. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2021.27.02.169_190.02
Movchan A.A., Ekster N.M. Theoretical Analysis of the Operation of a Force Actuator with aWorking Body Consisting of a Shape Memory Alloy Rod and an Elastic Displacement Body. Russian Metallurgy (Metally). 2023. P. 389–397. DOI: 10.1134/S003602952304016X
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. Advancedmethods for the analysis, design, and optimization ofSMA-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
Tikhomirova K.A. Phenomenological modeling of phase and structural deformations in shape memory alloys. One-dimensional case. Computational Continuum Mechanics. 2018. Vol. 11, no. 1. P. 36–50. DOI: 10.7242/1999-6691/2018.11.1.4
Mishustin I.V., Movchan A.A. Analog of the plastic flow theory for describing martensitic inelastic strains in shape memory alloys. Mechanics of Solids. 2015. Vol. 50, no. 2. P. 176–190. DOI: 10.3103/S0025654415020077
Movchan A.A. Model for the Effect of the Phase Mechanism of Deformation on the StructuralMechanism in Shape Memory Alloys. Russian Metallurgy (Metally). 2020. P. 282–290. DOI: 10.1134/S0036029520040187
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
Movchan A.A. Model for the Inelastic Deformation of Shape Memory Alloys. Russian Metallurgy (Metally). 2021. Vol. 2021. P. 1203–1212. DOI: 10.1134/S0036029521100244
Movchan A.A., Sil’chenko A.L., Kazarina S.A. Experimental study and theoretical simulation of the cross hardening effect in shape memory alloys. Russian Metallurgy (Metally). 2017. No. 10. P. 779–784. DOI: 10.1134/S0036029517100147
Kamentseva Z.P., Kuz’min S.L., Likhachev V.A. Strain hardening of titanium nickelide. Strength of Materials. 1980. Vol. 12. P. 1151–1155. DOI: 10.1007/BF00767131
Movchan A.A. Phenomenological Model of Changes in Phase-Structural Deformations in Shape Memory Alloys. Mechanics of Solids. 2020. Vol. 55, no. 4. P. 573–583. DOI: 10.3103/S0025654420040111
Gaganova N.V. Description of martensitic inelasticity after oriented transformation based on the combined model of schape memory alloys deformation considering development of the martensitic elements. Journal on Composite Mechanics and Design. 2022. Vol. 28, no. 4. P. 495–510. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2022.28.04.495_510.05
Gaganova N.V. Superelasticity description based on the combined model of shape memory alloys deformation considering development of the martensitic elements. Journal on Composite Mechanics and Design. 2021. Vol. 27, no. 3. P. 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.
Movchan A.A., Kazarina S.A., Sil’chenko A.L. Experimental Determination of the Stress of the Onset of the Structural Transition in Titanium Nickelide after Orientational Transformation. Russian Metallurgy (Metally). 2023. Vol. 2023. P. 398–404. DOI: 10.1134/S0036029523040171
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2024 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
