بررسي تجربي و شبيه سازي اجزاء محدود سازه هاي چندحافظه دار فرآوري شده به كمك ليزر

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

ايده نوين و مبتكرانه اعمال چند حافظه به وسيله اصلاح موضعي خواص استحاله¬اي، عملكرد آلياژهاي حافظه¬دار را نسبت به حالت پيشين و قديمي آن¬ها كه تنها داراي يك سري خواص استحاله بودند، به طرز قابل ملاحظه¬اي بهبود بخشيده است. با اين وجود شبيه¬سازي رفتار چنين سازه¬هاي چندحافظه¬داري به منظور مطالعه پاسخ آن¬ها تحت شرايط مختلف ترمومكانيكي، ضروري مي¬باشد. اولين بخش اين تحقيق به شبيه¬سازي رفتار سازه¬هاي چندحافظه¬دار اختصاص يافته است. به همين منظور يك روش محاسباتي بر اساس تحليل اجزاء محدود و به كمك نرم¬افزار آباكوس براي شبيه¬سازي رفتار اين سازه¬ها ارائه شده است. اين روش مي¬تواند در بررسي سازه¬هاي چندحافظه¬دار با طراحي¬هاي متنوع از چندحافظه¬داري تحت بارگذاري و شرايط مرزي ترمومكانيكي كلي به كار گرفته شود. براي ارزيابي روش پيشنهادي، يك سري مطالعات موردي تحت شرايط دما ثابت، تنش ثابت و كرنش ثابت انجام شده است. رفتار دو مرحله¬اي مشاهده شده در نتايج شبيه¬سازي حاكي از قابليت روش عددي در برگرفتن رفتار چندحافظه¬داري مي¬باشد. همچنين براي صحت¬سنجي اين روش، سيم¬هايي كه درصدهاي مختلفي از طول آن¬ها فرآوري شده به وسيله تكنيك عددي تحليل شده و نتايج آن با نتايج تجربي موجود مقايسه شده است كه تطابق مناسبي دارد. سپس روش پيشنهادي براي شبيه¬سازي رفتار يك آلياژ حافظه¬دار با خواص استحاله¬اي گرادياني به كارگرفته¬ شده و نتايج آن با نتايج تجربي به خوبي تاييد شده است. در انتهاي اين بخش، يك عملگر چندحافظه¬دار پيشنهادي مورد مطالعه قرار گرفته و پاسخ عملگري آن تحت يك بارگذاري ترمومكانيكي، به صورت كامل شرح داده شده است. بخش دوم اين تحقيق به بررسي آزمايشگاهي سازه¬هاي چندحافظه¬دار پرداخته است. تا كنون تكنيك¬هاي متنوعي براي تغيير در مشخصات استحاله¬اي آلياژهاي حافظه¬دار ارائه شده است. بخشي از اين تكنيك¬ها شامل اعمال عمليات حرارتي موضعي ناشي از گرماي مقاومت الكتريكي، عمليات آنيل گرادياني و اتصال آلياژهاي حافظه¬دار مختلف به يكديگر مي¬باشد. از ميان اين روش¬ها، روش تغيير در تركيب شيميايي با استفاده از تبخير كنترل¬شده عناصر توسط ليزر، يكي از موثرترين روش¬ها براي اصلاح موضعي خواص حافظه¬داري مي¬باشد. از اين روش براي مطالعات آزمايشگاهي بر روي سيم¬هاي حافظه¬دار ضخيم در اين تحقيق بهره گرفته شده است. كليه تلاش¬ها و اقداماتي كه جهت تغيير در خواص حافظه¬داري به وسيله اين روش انجام گرفته، شرح داده شده است. مقادير متغيري از عرض پالس در محدوده بين 3 تا 20 ميلي¬ثانيه و قله توان در محدوده بين 3/0 تا 3 كيلووات براي ليزر تعريف شده و اثرات ليزر بر روي نمونه¬هاي حافظه¬دار از جنبه¬هاي مختلف خواص حرارتي، ميكروساختار، استحكام مكانيكي، تركيب شيميايي و آناليز فازي بررسي شده است. سپس بر اساس نتايج اين بررسي¬ها، مشخص گرديد كه عرض پالس¬هاي بزرگ¬ با مقادير بين 15 تا 20 ميلي¬ثانيه جهت حفظ كيفيت نمونه فرآوري شده و همچنين نفوذ بيش¬تر، مناسب¬ مي¬باشد. همچنين نشان¬داده شد كه براي سيم¬هاي نسبتا ضخيمي كه در اين تحقيق استفاده شده، برخلاف كارهاي قبلي كه روي سيم¬هاي نازك با كاربرد پزشكي انجام شده، تابش ليزر از يك طرف كافي نبوده و براي فرآوري تمام سطح مقطع نياز به تابش از چهار طرف به نمونه مي¬باشد. در ادامه نشان داده شد كه خواص حافظه¬داري نمونه¬ها پس از فرآوري به وسيله ليزر بايد توسط عمليات ترمومكانيكي تكميلي بازيابي شود. در اين تحقيق عمليات حرارتي و به طور ويژه عمليات آنيل در دماي C°1000 و به مدت 1 ساعت براي آزادسازي ميدان¬هاي تنش و كرنش داخلي به وجودآمده در اثر انجماد سريع پس از عمليات ليزر و همگن كردن ميكروساختار، به منظور بازيابي خواص حافظه¬داري نمونه¬هاي فرآوري شده، به كار گرفته شد. نهايتا دو نمونه فرآوري شده نهايي با خواص حافظه¬داري جديد ايجاد شدند. مقادير عرض پالس و قله توان براي اين دو نمونه سيم به ترتيب 15 و 20 ميلي¬ثانيه و 377/0 و 415/0 كيلووات انتخاب گرديد. دماهاي استحاله اين دو نمونه در اثر فرآوري به وسيله ليزر، حدود 40 الي 60 درجه سانتي¬گراد نسبت به نمونه سيم خام افزايش داشت. بنابراين در حاليكه نمونه سيم خام در دماي محيط از خود خاصيت سوپرالاستيك نشان مي¬داد، دو نمونه فرآوري شده در دماي محيط از خود خاصيت حافظه¬داري بروز مي¬دهند. در نهايت دو سازه¬ چندحافظه¬دار كه نيمي از آن سيم خام و نيم ديگر يكي از نمونه¬هاي فرآوري شده نهايي بود، ساخته شد و تحت بارگذاري – باربرداري مكانيكي قرار گرفت. رفتار اين سازه¬ها توسط روش عددي پيشنهادي در بخش اوليه شبيه¬سازي شد و نتايج نيرو-جابجايي آن با نتايج تجربي به دست آمده مقايسه گرديد كه از تطابق مطلوبي برخوردار بود.

217306

طراحي جامدات

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

احسان فروزمهر

محسن بدرسماي، مهدي جوانبخت، جمال ارغواني هادي