موسسه آموزش عالی جامی
پایان نامهی کارشناسی ارشد رشتهی مکانیک گرایش طراحی کاربردی
مدلسازی تیر انعطاف پذیر تحریک شده توسط سیم آلیاژ حافظهدار
استاد راهنما:
دکتر سعید ضیائی راد
اسفند ماه 1393
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست
عنوان صفحه
فهرست مطالب …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………ت
فهرست اشکال……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………ح
فهرست جداول……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………ر
چکیده………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….ز
فصل اول: مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..1
- پیشگفتار آلیاژ حافظه دار…………………………………………………………………………………………………………………………………………………1
- ساخت آلیاژهای حافظه دار………………………………………………………………………………………………………………………………………………..4
- كاربردهای آلیاژ حافظه دار………………………………………………………………………………………………………………………………………………..4
1-3-1 كاربردهای آلیاژ حافظه دار در مهندسی پزشكی…………………………………………………………………………………………………5
1-3-2 كاربرد در صنایع هوا فضا: …………………………………………………………………………………………………………………………………13
1-3-3 کاربرد فنرهای حافظه دار در صنایع خودروسازی……………………………………………………………………………………………..14
1-3-4 كاربرد در صنایعی مانند پتروشیمی ، گاز و ……………………………………………………………………………………………………..22
1-3-5 كاربرد آلیاژ حافظه دار در عمران و ساختمان سازی…………………………………………………………………………………………22
1-3-6 دیگر کاربردها …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….27
1-4 مروری بر کارهای انجام شده در زمینه ی آلیاژ حافظه دار…………………………………………………………………………………………….28
1-5 پیشگفتار آلیاژ حافظه دار و تیر……………………………………………………………………………………………………………………………………..29
1-6 مروری بر کارهای انجام شده در زمینه ی آلیاژ حافظه دار و تیر…………………………………………………………………………………..30
فصل دوم: آلیاژحافظهدار و مدل ساختاری آن..…………………………………………………………………………………………………………….32
2-1- معرفی آلیاژهای حافظه دار………………………………………………………………………………………………………………………………………….32
2-2- مروری بر مدل های ساختاری آلیاژهای حافظه دار…………………………………………………………………………………………………….38
2-2-1- مدل های ماکروسکوپیک…………………………………………………………………………………………………………………………38
2-2-2 مدل تاناکا……………………………………………………………………………………………………………………………………………………42
2-2-3 مدل لیانگ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….43
2-2-4 مدل برینسون……………………………………………………………………………………………………………………………………………..45
2-2-5 مدل اصلاح شده ی برینسون……………………………………………………………………………………………………………………..49
فصل سوم:مدل تیر…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..55
3-1 آنالیز خطی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………58
3-2 آنالیز غیرخطی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………60
3-3 روش حل ادغام تیر و آلیاژحافظهدار……………………………………………………………………………………………………………………………….60
فصل چهارم: نتایج عددی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..63
4-1 تحلیل خطی تیر………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………64
4-2 تحلیل غیرخطی تیر…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………69
4-2-1 مقایسهی تحلیل خطی تیر و غیرخطی تیر……………………………………………………………………………………………….72
4-3 تحلیل آلیاژ حافظهدار………………………………………………………………………………………………………………………………………………………73
4-3-1 نمودار تنش-کرنش در دمای 60 درجه سانتی گراد………………………………………………………………………………….75
4-3-2 نمودار تنش-کرنش در دمای 40 درجه سانتی گراد………………………………………………………………………………….76
4-3-3 نمودار تنش-کرنش در دماهای 5 و 20 درجه سانتی گراد……………………………………………………………………….77
4-3-4 نمودارهای تکمیلی……………………………………………………………………………………………………………………………………..78
4-4 ادغام معادلات تیر و آلیاژ حافظهدار………………………………………………………………………………………………………………………………..81
4-4-1 تحلیل خطی تیر………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….81
4-4-2 ادغام محرک آلیاژحافظهدار و تیر……………………………………………………………………………………………………………………………….85
فصل پنجم: نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..89
پیشنهاد برای ادامه کار…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….90
مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….91
فهرست اشکال
شکل صفحه
شکل1-1 دیاگرام فازی: تنش بحرانی به عنوان تابعی از دما ]1[ …………………………………………………………………………………………. 3
شکل 1-2 فیلتر سیمون]2[………………………………………………………………………………………………………………………………………………………6
شکل 1-3 مسدودکننده سوراخ دیوار بطنی]2[………………………………………………………………………………………………………………………..7
شکل 1-4 استنت ها با اندازه های متفاوت]2[…………………………………………………………………………………………………………………………7
شکل 1-5 مهره فشرده شده و سمت راست شکل اولیه مهره]2[…………………………………………………………………………………………….8
شکل 1-6 دستکش حاوی آلیاژ حافظه دار ]2[………………………………………………………………………………………………………………………..9
شکل 1-7 ویژگی سوپرالاستیک آلیاژهای حافظه دار…………………………………………………………………………………………………………….10
شکل 1-8 مقایسه ی کیفی رفتار مواد مختلف استفاده شده در ارتودنسی ]4[……………………………………………………………………11
شکل 1-9 دستگاه آندوسکوپی کپسولی با استفاده از فنرهای حافظه دار به عنوان عملگر ]5[………………………………………….12
شکل 1-10 مجموعه ی پوسته پایینی و عملگرهای حافظه دار ]6[……………………………………………………………………………………13
شکل 1-11 عملگرهای حرارتی حافظه دار]7[………………………………………………………………………………………………………………………15
شکل 1-12 گستره دمای انتقال آلیاژهای Ni-Ti تجاری در دسترس]7[…………………………………………………………………………..17
شکل 1-13 عملکرد سوپاپ های حرارتی ]7[……………………………………………………………………………………………………………………….17
شکل 1-14 نمایی از مقطع عرضی سوپاپ حرارتی]7[………………………………………………………………………………………………………….18
شکل 1-15 محرک های الکتریکی حافظه دار]7[…………………………………………………………………………………………………………………19
شکل 1-16 محدوده دمای کاری برای خودروها و دمای انتقال برای آلیاژهای حافظه دار Ni-Ti ]7[………………………………20
شکل 1-17 لامپ مه شکن با محرک الکتریکی حافظه دار]7[……………………………………………………………………………………………..20
شکل 1-18 برف پاک کن با استفاده از فنر حافظه دار ]7[…………………………………………………………………………………………………..21
شکل 1-19 مکانیزم قفل در با استفاده از فنرهای حافظه دار ]7[………………………………………………………………………………………21
شکل 1-20 سیستم های مهار کننده ]13[……………………………………………………………………………………………………………………………26
شکل 1-21 سیستم موانع لولای پل ]13[…………………………………………………………………………………………………………………………….27
شکل 1-22 فریم عینک حافظه دار ]2[…………………………………………………………………………………………………………………………………28
شکل 2-1 نحوه ی تغییر ساختار بلوری فازها در اثر اعمال حرارت به یک آلیاژ حافظه دار ]3 [………………………………………..34
شکل 2-2 نحوه تغییر فاز مارتنزیت در اثر تنش]3[………………………………………………………………………………………………………………35
شکل 2-3 نمایش دو نوع مارتنزیت ناشی از تنش در بارگذاری یک بعدی]3 [……………………………………………………………………35
شکل 2-4 نمایش چگونگی ایجاد خاصیت حافظه داری ]3 [……………………………………………………………………………………………….36
شکل 2-5 نمایش خاصیت سوپرالاستیک آلیاژهای حافظه دار ]3 […………………………………………………………………………………….37
شکل 2-6 نمودار تنش بحرانی بر حسب دما برای مدل «لیناگ» ]24[……………………………………………………………………………….44
شکل 2-7 نمودار تنش بحرانی بر حسب دما برای مدل «برینسون» ]24[…………………………………………………………………………..48
شکل 3-1 آرایش تیر الاستیک و سیم حافظهدار قبل و بعد تغییر شکل………………………………………………………………………………56
شکل 3-2 دیاگرام جسم آزاد تیر منحرف شده………………………………………………………………………………………………………………………57
شکل 4-1 نمودار میله ای حدسهای متوالی برحسب درصد خطا………………………………………………………………………………………..66
شکل 4-2 نمودار بار در مقابل انحراف نوک تیر برای نمونه های مختلف – آنالیز خطی…………………………………………………….67
شکل 4-3 نمودار بار در مقابل انحراف نوک تیر برای نمونه های مختلف – آنالیز غیرخطی……………………………………………….71
شکل 4-4 مقایسه انحراف نوک تیر برحسب بار در آنالیز خطی و غیرخطی…………………………………………………………………………72
شکل 4-5 5 نمودار تنش-کرنش آلیاژ حافظهدار نشاندهندهی اثر سوپر الاستیسیته °C60 T=………………………………………..75
شکل 4-6 نمودار تنش-کرنش آلیاژ حافظهدار نشاندهندهی اثر سوپر الاستیسیته جزئی °C40 T=……………………………….76
شکل 4-7 نمودار تنش-کرنش آلیاژ حافظهدار، نمودار قرمز در دمای 20 درجهی سانتی گراد و آبی 5 درجهی سانتی گراد……….77
شکل 4-8 نمودار تنش-کسر مارتنزیت، در دمای 5 درجه سانتی گراد، وشرایط اولیه تنش و کرنش صفر…………………………78
شکل 4-9 نمودار دما-کسر مارتنزیت آلیاژ حافظهدار، و ……………………………………………….79
شکل 4-10 نمودار دما-کرنش باقیمانده در آلیاژ حافظهدار………………………………………………………………………………………………….79
شکل 4-11 نمودار بار در مقابل انحراف نوک تیر نمونه(A) – آنالیز خطی……………………………………………………………………………82
شکل 4-12 نمودار بار در مقابل انحراف نوک تیر نمونه(B) – آنالیز خطی……………………………………………………………………………82
شکل 4-13 نمودار بار اعمالی برحسب انحراف نوک تیر – آنالیز خطی نمونه (A)……………………………………………………………….83
شکل 4-14 نمودار بار اعمالی برحسب انحراف نوک تیر – آنالیز خطی نمونه (B)………………………………………………………………..83
شکل 4-15 نمودار بار اعمالی برحسب انحراف نوک تیر – آنالیز خطی نمونه (A)……………………………………………………………….84
شکل 4-16 تنش در سیم حافظهدار به عنوان تابعی از دما برای نمونهی (A) …………………………………………………………………….86
شکل 4-17 تنش در سیم حافظهدار به عنوان تابعی از دما برای نمونهی (B) …………………………………………………………………….86
شکل 4-18 مقایسهی تنش در سیم حافظهدار به عنوان تابعی از دما برای نمونههای (A) و (B) ………………………………………88
جداول
جدول صفحه
جدول 1-1 میزان تاثیر نیروی ارتودنسی پس از گذشت زمان های متفاوت ]3[………………………………………………………………..11
جدول 4-1 مشخصات 5 نمونه (واحد: متر) …………………………………………………………………………………………………………………………..64
جدول 4-2 جدول سعی و خطا برای بدست آوردن مختصات نوک تیر در یک نیروی مشخص، تحلیل خطی……………………66
جدول 4-3 مشخصات تیر و ممان اینرسی تیر………………………………………………………………………………………………………………………67
جدول 4-4 جدول سعی و خطا برای بدست آوردن مختصات نوک تیر در یک نیروی مشخص، تحلیل غیر خطی…………….70
جدول 4-5 خصوصیات مواد برای آلیاژ نیتینول استفاده شده در مثالآورده شده ]25[………………………………………………………73
جدول 4-6 ابعاد تیر برای قابلیت کنترل خوب (A) و قابلیت کنترل ضعیف (B)، واحدها برحسب متر……………………………..81
جدول 4-7 مشخصات تیر و ممان اینرسی هرکدام (بر حسب m4)………………………………………………………………………………………81
چکیده
آلیاژهای حافظهدار دستهای از مواد هوشمند با دو ویژگی منحصربهفرد حافظهداری و سوپرالاستیسیته میباشند. این دو ویژگی ناشی از استحالههای فازی تحت بارگذاریهای ترمودینامیکی مختلف است. بسته به این دو ویژگی ذکر شده، آلیاژهای حافظهدار میتوانند در فرمهای مختلفی به عنوان عملگر مورد استفاده قرار میگیرند. این ساختارها را میتوان در زمینههای مختلف مانند پزشکی، هوافضا، دانش هوانوردی، وسایل نقلیه خودرو، سازههای عمرانی، رباتها، بیوتکنولوژی و کنترل هوشمند سازه استفاده کرد. استفاده از این مواد و آلیاژها باعث کوچک شدن حجم قطعه، مقرون به صرفه بودن اقتصادی و کنترل بهتر و دقیقتر و اطمینان در بهبود عملکرد قطعه خواهند شد.
در این پایان نامه کنترل فعال انحراف تیر از طریق گرم و سرد کردن سیمهای آلیاژ حافظهدار مورد بررسی قرار گرفته است. قوانین ساختاری حاکم بر سیمهای آلیاژحافظهدار بررسی گردیده و از بین آنها معادلات اصلاح شدهی برینسون جهت استفاده انتخاب گردیده است. اثرات حافظه شکل و سوپرالاستیسیته برای یک نمونه ساخته شده از آلیاژ نیتینول در محدودههای دمایی مختلف بررسی شده است. در ادامه انحراف تیر تحت نیروی خارجی برای دو حالت تئوری خطی و غیرخطی مورد بررسی قرار گرفته و تعدادی مثال حل و با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است. همچنین ارزیابی از جوابهای تیر در دو حالت خطی و غیرخطی ارائه شده است. در نهایت معادلات تیر در حالت خطی با معادلات آلیاژهای حافظهدار نیتینول به صورت توام حل شده و مقدار انحراف تیر با وجود سیم آلیاژحافظهدار در دماهای مختلف مورد مطالعه واقع گردیده و نتایج حاصل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در پایان نتیجه گیری و پیشنهادات جهت انجام کارهای بعدی آورده شده است.
فصل اول
مقدمه
- پیشگفتار آلیاژ حافظه دار
مواد هوشمند ارائه کنندهی راه حل های جدید، اقتصادی و به صرفه برای مشکلات مهندسی هستند، این مواد نقش مهمی در فناوریهای نو بازی میکنند، مواد هوشمند میتوانند به عنوان هر دو المان کنترل و اعضای سازه ای (از قبیل پیزوالکتریک، آلیاژهای حافظه دار و یا مواد مگنتواستریکشن) عمل کنند. مزایای تکنولوژیکی این مواد نسبت به مواد سنتی، بهدلیل خصوصیات ملکولی و ریز ساختاری منحصر به فردشان است.
این مواد امکانات بزرگی برای سازههای خودکنترلی ارائه داده و سازهها را به انطباق با خودشان با شرایط بارگذاری مختلف قادر میسازند. این ویژگیهای منحصر به فرد پیچیدگیهای زیادی را به آنالیزتجربی و تحلیل در حیطهی مواد و سازههای مهندسی اضافه میکنند.
با استفاده از این مواد در سازه های هوشمند، محرک ها و سنسورها که درون سازه مجتمع شده اند قادر هستند عملکردی سازهای و کنترلی ارائه نمایند. این ساختارها را میتوان در زمینه های مختلف مانند هواپیما، دانش هوانوردی، وسایل نقلیه خودرو، رباتها، بیوتکنولوژی، سازههای عمرانی و کاربردهای دیگر استفاده کرد.
آلیاژهای حافظه دار یکی از محرکهای مورد توجه در سازه های هوشمند به علت دو اثر منحصربهفرد، که به عنوان اثر حافظه شکل[1] و سوپرالاستیسیته[2] است شناخته میشوند. این ویژگی ها ناشی از تحولات فازی است، که در اثر تغییرات دما یا تغییرات تنش اعمالی صورت میپذیرند، و خواص حرارتی و دمایی منحصربهفردی را از آلیاژهای حافظه دار، در زمینه های متنوع مهندسی ارائه میدهند. به دلیل کرنش بازیابی بالا (تا حدود 10%) و قدرت بالا نسبت به وزن، آلیاژهای حافظه دار به طور گستردهای برای کنترل شکل ساختارهای انعطاف پذیر استفاده میشوند.
رفتار حافظه شکل به سبب تحول فاز کریستالی ترموالاستیک برگشت پذیر بین یک فاز مادر (آستنیت) با تقارن بالا و فاز محصول (مارتنزیت) با تقارن کم است، تغییرات فاز به عنوان تابعی از تنش و دما رخ میدهند. تشکیل فاز مارتنزیت تحت تنش تک محوری یا برشی، سبب شکلگیری جهتگیریهای مختلف کریستال (مارتنزیت غیر دوقلویی) میشود که منجر به یک کرنش بزرگ قابل بازیابی (در حدود 10%) میشود. این قابلیت برای کرنشهای بزرگ قابل کنترل و برگشت پذیراست، که مزیت مهم بسیاری در آلیاژهای حافظهدار به عنوان مواد کنترلی است. تغییر شکلهای بزرگ میتواند به راحتی و قابل تولید مجدد با این مواد ایجاد شوند، یا متعاقبا در یک وضعیت محدود شده، میتواند تنشهای بزرگی به اجزای سازه متصل شده داده شود.
تعداد صفحه : 125
قیمت : 14700تومان
