پایان نامه ارشد: مدل سازی تیر انعطاف پذیر تحریک شده توسط سیم آلیاژ حافظه دار

موسسه آموزش عالی جامی

پایان نامه­ی کارشناسی ارشد رشته مکانیک گرایش طراحی کاربردی

مدل­سازی تیر انعطاف پذیر تحریک شده توسط سیم آلیاژ حافظه­دار

استاد راهنما:

دکتر سعید ضیائی راد

اسفند ­ماه 1393

(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 مقایسه­ 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از فنر حافظه دار ]7[…………………………………………………………………………………………………..21

شکل 1-19 مکانیزم قفل در با بهره گرفتن 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 درجه­ سانتی گراد و آبی 5 درجه­ 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 مقایسه­ 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 زمینه ­های 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 کننده­ راه حل های جدید، اقتصادی و به صرفه برای مشکلات مهندسی هستند، این مواد نقش مهمی در فناوری­های نو بازی می­ کنند، 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 می­ کنند.

با بهره گرفتن 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 شکل­ گیری 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 می ­تواند به راحتی و قابل تولید مجدد با این مواد ایجاد شوند، یا متعاقبا در یک وضعیت محدود شده، می ­تواند تنش­های بزرگی به اجزای سازه متصل شده داده شود.

1 Shape Memory Effect (SME)

2 Superelsticity

تعداد صفحه : 125

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        *       asa.goharii@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.