دانشگاه صنعتی اصفهان
دانشكده مهندسی مكانیك
مدلسازی ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار مشبک به روش میکروصفحه
رساله دکتری طراحی کاربردی
محمدرضا كارآموز راوری
استاد راهنما
دكتر محمود کدخدایی
1394
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست مطالب.. هشت
فهرست تصاویر.. یازده
فهرست جداول.. شانزده
چکیده.. 1
فصل اول: مقدمه
1-1 – آلیاژهای حافظه‌دار و کاربردهای آن ها.. 3
1-1-1 – معرفی آلیاژهای حافظه‌دار.. 3
1-2 – کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار.. 8
1-2-1 – کاربرد در صنایع هوا-فضا.. 9
1-2-2 – کاربرد در صنایع خودروسازی.. 13
1-2-3 – کاربرد در رباتیک.. 14
1-2-4 – کاربرد در پزشکی.. 15
1-2-5 – کاربرد در صنایع دیگر.. 19
1-3 – مواد سلولی و کاربردهای آن ها.. 20
1-3-1 – کاربردهای مواد سلولی.. 21
1-4 – آلیاژهای حافظه‌دار سلولی و کاربردهای آن ها.. 34
1-4-1 – کاربرد به‌عنوان کاشتنی‌های استخوانی.. 34
1-4-2 – کاربرد به عنوان جاذب انرژی.. 36
1-4-3 – تطبیق امپدانس.. 36
1-5 – نمای کلی رساله حاضر.. 37
1-5-1 – اهمیت موضوع.. 37
1-5-2 – تعریف موضوع و ساختار رساله.. 37
1-5-3 – نوآوری‌های رساله.. 38
فصل دوم: مروری بر روش‌های مدلسازی ساختاری مواد سلولی
2-1-1 – روش‌های حوزه میانگین.. 41
2-1-2 – روش‌های میکروحوزه گسسته.. 41
2-1-3 – روش‌های حل.. 50
عنوان صفحه
فصل سوم: مدلسازی ساختاری مواد مشبک عادی
3-1 – بررسی تاثیر خواص ماده بالک بر رفتار الاستیک مواد مشبک.. 57
3-2 – ساخت، خصیصه‌یابی و مدلسازی ماده مشبک پلیمری.. 61
3-2-1 – ساخت و خصیصه‌یابی نمونه‌های مشبک به روش مدلسازی رسوب ذوب.. 62
3-2-2 – مدلسازی بر مبنای روش اجزای محدود.. 69
3-2-3 – نتایج.. 72
3-3 – ارائه یک مدل محاسباتی کارآمد برای پیش‌بینی رفتار مکانیکی مواد مشبک.. 78
3-3-1 – مدل تک‌پیوند.. 79
3-3-2 – مدلسازی ساختار مشبک (مدل سلول واحد).. 82
3-3-3 – نتایج.. 83
3-3-4 – بحث.. 87
3-4 – نتیجه‌گیری.. 90
فصل چهارم: مروری بر روش‌های مدلسازی ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار چگال و متخلخل
4-1 – روابط ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار چگال.. 91
4-2 – مروری بر مدلسازی رفتار آلیاژهای حافظه‌دار متخلخل.. 93
4-3 – مدل ساختاری سه‌بعدی متقارن برای آلیاژهای حافظه‌دار با بهره گرفتن از روش میکروصفحه.. 96
فصل پنجم: مدلسازی ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار مشبک
5-1 – ارائه مدل ساختاری سه‌بعدی نامتقارن برای آلیاژهای حافظه‌دار با بهره گرفتن از روش میکروصفحه.. 103
5-2 – ارزیابی مدل نامتقارن ارائه شده برای آلیاژهای حافظه‌دار.. 109
5-2-1 – مدلسازی تست کشش-فشار ساده.. 109
5-2-2 – مدلسازی تست خمش خالص.. 114
5-3 – مدلسازی ساختاری نمونه نایتینولی متخلخل با تخلخل 13 درصد.. 123
5-3-1 – مدل سلول واحد.. 123
5-3-2 – مدل تصادفی.. 125
5-3-3 – صحت‌سنجی مدل.. 126
5-3-4 – بررسی تاثیر میزان دانسیته حفرات بر منحنی تنش-کرنش.. 127
5-3-5 – تاثیر ریزساختار تصادفی بر منحنی تنش-کرنش.. 128
5-4 – تاثیر عدم تقارن بر پاسخ مکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار.. 130
5-4-1 – نمونه نایتینولی با تخلخل 13 درصد.. 130
5-4-2 – نمونه نایتینولی با تخلخل 42 درصد.. 132
عنوان صفحه
5-4-3 – ساختارهای مشبک BCC و BCC-Z. 138
5-5 – ساخت، خصیصه‌یابی و مدلسازی ساختاری نمونه‌های مشبک نایتینولی.. 143
5-5-1 – ساخت نمونه‌های چگال و مشبک.. 144
5-5-2 – خصیصه‌یابی نمونه‌ها.. 145
5-5-3 – مدلسازی ساختاری نمونه‌های مشبک.. 150
5-5-4 – نتایج و بحث.. 154
5-5-5 – نتیجه‌گیری.. 158
فصل ششم: جمع‌بندی و ارائه پیشنهادات
6-1 – جمع‌بندی.. 159
6-2 – پیشنهادات.. 162
6-2-1 – وارد کردن کرنش‌های پلاستیک.. 162
6-2-2 – بارگذاری چرخه‌ای.. 162
6-2-3 – مدلسازی پیوندهای از دست رفته در ماده مشبک.. 163
6-2-4 – مدلسازی ساختاری با توجه به فازهای واسطه در ماده مشبک.. 164
6-2-5 – ساخت نمونه‌های نایتینولی متخلخل به روش ریخته‌گری.. 164
6-2-6 – بهینه‌سازی ریزساختار آلیاژهای حافظه‌دار متخلخل.. 166
پیوست الف: مبانی مکانیک محیط پیوسته تئوری میکروصفحه.. 167
پیوست ب: عدم وابستگی به حرکت صلب الحاقی.. 170
منابع و مراجع.. 172
فهرست تصاویر
عنوان صفحه
شکل 1‑1: ساختار کریستالی فازهای الف) آستنیت ب) مارتنزیت دوقلو ج) مارتنزیت غیر دوقلو [4].. 4
شکل 1‑2: دماهای شروع و پایان استحاله‌های رفت و برگشت [4].. 5
شکل 1‑3: الف) تبدیل مارتنزیت دوقلو به غیر دوقلو با اعمال تنش ب) نمایش خاصیت حافظه‌داری [4].. 6
شکل 1‑4: دیاگرام فازی مربوط به یک آلیاژ حافظه‌دار [4].. 7
شکل 1‑5: الف) مسیر بارگذاری-باربرداری ب) منحنی تنش-کرنش متناظر با خاصیت سوپرالاستیک [4].. 8
شکل 1‑6: الف) کوپلینگ نایتینولی کریوفیت [14] ب) رابط الکتریکی کریوکن ج) رابط الکتریکی تینل-لاک [11].. 9
شکل 1‑7: استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار در صنایع هوا-فضایی الف) بال هوشمند ب) لوله‌های انتقال گشتاور (…).. 10
شکل 1‑8: ایرفویل هندسه متغیر [17].. 10
شکل 1‑9: پروژه‌های بهبود کارآیی بدنه و بال هواپیما الف) UGAR Volt، ب) D8 ج) Icon-II (…).. 11
شکل 1‑10: هواكش موتور هواپیمای F-15 ساخته شده توسط سمپسون در داخل تونل باد ناسا [21].. 11
شکل 1‑11: نازل شورون الف) نمای کلی ب) نما با جزئیات [25].. 12
شکل 1‑12: کاربرد آلیاژهای حافظه‌دار در صنایع خودروسازی شامل الف) محفظه‌های ورودی هوا (…).. 14
شکل 1‑13: کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار در صنعت رباتیک الف) محرک انگشتان ربات ب) گیرنده قطعات (…).. 14
شکل 1‑14: مقایسه منحنی تنش-کرنش بافت‌های بدن، فولاد و نایتینول [40].. 15
شکل 1‑15: الف) سیم‌های اصلاح کننده دندان‌ها ساخته شده از آلیاژ نایتینول [43] ب) مته نایتینولی جراحی (…).. 16
شکل 1‑16: الف) فیلتر سیمون ب) دریچه مصنوعی قلب [45].. 16
شکل 1‑17: الف) نمونه‌هایی از استنت‌های خودبازشو نایتینولی ب) نمایش قابلیت استنت برای پوشش دادن انحناها [39].. 17
شکل 1‑18: الف) گیره درمان شکستگی فک [47] ب) فاصله‌انداز اصلاح ستون فقرات در دو حالت باز و بسته [48].. 18
شکل 1‑19: الف) بست‌های متصل کننده استخوان‌ها و پی [49] ب) آتل انگشت [50] ج) تجهیزات پزشکی (…).. 18
شکل 1‑20: الف) استفاده از نوارهای حافظه‌دار در چوگان گلف ب) استفاده از خاصیت سوپر الاستیک در ساخت (…).. 19
شکل 1‑21: الف) شبکه لانه زنبوری ب) ماده مشبک حفره‌باز ج) ماده مشبک حفره‌بسته [55].. 20
شکل 1‑22: نمونه‌های ساختارهای سلولی مشبک با ریزساختار الف) BCC [57]، ب) BCC-Z [57]، ج) Gyroid [56].. 21
شکل 1‑23: مقایسه خواص مواد سلولی و مواد چگال [55].. 22
شکل 1‑24: شماتیک منحنی تنش-کرنش یک ماده سلولی [59].. 22
شکل 1‑25: الف) بمب‌افکن دیهاویلند ب) چوب چند لایه مورد استفاده به عنوان پوسته پنل ساندویچی این بمب‌افکن [63].. 24
شکل 1‑26: پنل‌های ساندویچی با هسته الف) فوم آلومینیوم ب) ساختار سلولی مشبک [63].. 24
شکل 1‑27: جرثقیل سبک وزن یورو بی 25 تی و بازوی متخلخل آن [64].. 25
شکل 1‑28: راکت آرین 5 و تطبیق دهنده مخروطی متخلخل آن [62].. 25
شکل 1‑29: رکاب دوچرخه‌های مسابقه‌ای ساخته شده توسط مواد متخلخل [62].. 26
عنوان صفحه
شکل 1‑30: قطعات تولید شده توسط شرکت ال-ک-آر رنشوفن به سفارش شرکت آلمانی بی-ام-دابلیو [64].. 26
شکل 1‑31: الف) لوله‌های آلومینیومی جاذب انرژی پر شده با فوم آلومینیوم [66] ب) جاذب انرژی کامبینو [67].. 27
شکل 1‑32: استفاده از بلوک آلومینیومی در جلوی خودروهای مسابقه‌ای جهت کاهش آسیب‌های ناشی از ضربه [68].. 28
شکل 1‑33: فوم آلومینیوم مورد استفاده در خودروهای زرهی جهت جذب انرژی ناشی از انفجار و حفظ جان سرنشین [69].. 28
شکل 1‑34: استفاده از فوم آلومینیوم در کف تانک جهت کاهش ضربات ناشی از انفجار [69].. 29
شکل 1‑35: استفاده از مواد سلولی جهت تعدیل گرادیان دمایی روی پره‌ها [70].. 29
شکل 1‑36: استفاده از فوم آلومینیوم به عنوان میرا کننده ارتعاشات ستون‌های یک ایستگاه قطار [63].. 30
شکل 1‑37: استفاده از فوم آلومینیوم جهت ایجاد جاذب صوت در یک سالن [63].. 31
شکل 1‑38: رادیاتور‌های آلومینیومی مشبک [63].. 32
شکل 1‑39: ضریب انتقال حرارت مواد سلولی مختلف برحسب میزان تخلخل [71].. 32
شکل 1‑40: الف) فوم طلا جهت تولید جواهرات کم حجم [63] ب) پایه میز ساخته شده توسط آلومینیوم مشبک [72].. 33
شکل 1‑41: رشد استخوان در داخل حفره‌های کاشتنی مشبک [86].. 35
شکل 1‑42: الف) نمونه تجاری اکتیپور [85] ب) رشد استخوان در نمونه اکتیپور (…).. 35
شکل 1‑43: مقایسه منحنی تنش-کرنش نایتینول چگال و مشبک [91].. 36
شکل 1‑44: تخلخل متغیر در یک ماده سلولی [92].. 37
شکل 2‑1: پیکربندی سلول واحد دوبعدی مستطیلی شکل قبل و بعد از تغییرشکل [101].. 42
شکل 2‑2: شماتیک الف) ریزساختار تکرارشونده ب) سلول واحد تکراری ج) سلول واحد کاهش‌یافته (…).. 44
شکل 2‑3: شرایط مرزی تکرار شونده برای حالتی که سطوح مقابل دارای گره‌های متناظر نیستند.. 46
شکل 2‑4: سلول‌های واحد الف) مکعبی ساده [94]، ب) مکعب شطرنجی [55]، ج) پنج وجهی دوازده سطحی ….. 46
شکل 2‑5: تولید مدل چند سلولی با بهره گرفتن از الف) سلول واحد [105] ب) افراز ورونی [135] ج) کمترین انرژی ….. 49
شکل 2‑6: شمای کلی روش تحلیلی الف) ساختار کلی سلول ب) مکانیزم‌های تغییر شکل [185].. 51
شکل 3‑1: الف) ماده مشبک ساخته شده از جنس Ti6Al4V و به روش ذوب انتخابی توسط لیزر (…).. 58
شکل 3‑2: منحنی تنش کرنش الف) پودر Ti6Al4V [227] ب) نمونه ساخته شده از همین پودر (…).. 59
شکل 3‑3: مدل اجزای محدود تولید شده بر مبنای المان تیر برای مدلسازی نمونه مشبک.. 59
شکل 3‑4: شماتیک روش مدلسازی رسوب ذوب.. 62
شکل 3‑5: ساختار مشبک طراحی شده جهت تولید به روش رسوب ذوب الف) نمای دوبعدی ب) سلول واحد تکرارشونده.. 63
شکل 3‑6: نمونه سنجه جهت تعیین الف) حداقل قطر قابل حصول ب) حداقل زاویه قابل حصول د) سرعت حرکت نازل.. 64
شکل 3‑7: نمای روبرویی طرح نهایی نمونه ماده مشبک.. 65
شکل 3‑8: ساختار مشبک ساخته شده از جنس PLA الف) نمای کلی ب) نمای نزدیک از پیوندها در محل تقاطع.. 66
شکل 3‑9: نمودار ستونی مربوط به احتمال توزیع قطر پیوندها در طول آن.. 66
عنوان صفحه
شکل 3‑10: نمونه‌های تست کشش و فشار تولید شده جهت خصیصه‌یابی رفتار ماده بالک.. 67
شکل 3‑11: تست الف) کشش ساده ب) فشار ساده جهت خصیصه‌یابی ماده بالک.. 67
شکل 3‑12: تست فشار تک‌محوره ساختار مشبک با الف) نرخ کرنش (…).. 68
شکل 3‑13: منحنی تنش-کرنش فشار ساده برای الف) نمونه بالک ب) ساختار مشبک.. 68
شکل 3‑14: منحنی نیرو بر حسب جابجایی برای ساختار مشبک تولید شده.. 69
شکل 3‑15: یک پیوند از ساختار مشبک الف) نمونه واقعی ب) مدل تیر.. 70
شکل 3‑16: تولید پیوند سه‌بعدی با سطح مقطع متغیر.. 70
شکل 3‑17: الف) ناحیه اضافی تولید شده از تقاطع پیوندها ب) مدل کلی ساختار مشبک پس از حذف نواحی اضافی.. 71
شکل 3‑18: شرایط مرزی اعمال شده بر روی مدل اجزای محدود ساختار مشبک پلیمری.. 72
شکل 3‑19: بررسی تاثیر اندازه مش بر منحنی تنش کرنش ساختار مشبک در مدل سه‌بعدی به‌ازای N=1. 73
شکل 3‑20: تغییرات مدول الاستیک ساختار مشبک بر حسب تعداد تقسیمات هر پیوند.. 73
شکل 3‑21: تغییرات تنش فروپاشی ساختار مشبک بر حسب تعداد تقسیمات هر پیوند.. 74
شکل 3‑22: منحنی تغییرات تخلخل ماده مشبک بر حسب تعداد بازه‌های تقسیمات قطر در امتداد هر پیوند.. 75
شکل 3‑23: مقایسه منحنی تنش-کرنش به دست آمده با بهره گرفتن از مدل‌های مختلف با نتایج تجربی.. 76
شکل 3‑24: نمای تغییرشکل یافته ساختار مشبک در کرنش 2/3 درصد.. 76
شکل 3‑25: پیش‌بینی نمای تغییرشکل یافته ساختار مشبک توسط الف)مدل سه‌بعدی ب) مدل تیر.. 77
شکل 3‑26: نمای تغییرشکل یافته ساختار مشبک از جنس فولاد 316L [210].. 79
شکل 3‑27: شمای دوبعدی نحوه مدلسازی تک‌پیوند.. 80
شکل 3‑28: مدل تصادفی تک‌پیوند.. 81
شکل 3‑29: نمودار تنش-کرنش تخصیص یافته به عنوان ماده بالک سازنده پیوندها [224].. 81
شکل 3‑30: سلول واحد مورد استفاده جهت مدلسازی ماده مشبک با هندسه BCC.. 82
شکل 3‑31: الف) تقسیم یک پیوند سلول واحد به سه قسمت ب) تعیین طول ناحیه راس با بهره گرفتن از (…).. 83
شکل 3‑32: یک چهارم از تک‌پیوند مش‌بندی شده.. 84
شکل 3‑33: منحنی تغییرات الف) مدول الاستیک متوسط تک‌پیوند ب) تنش تسلیم متوسط تک‌پیوند بر حسب (…).. 84
شکل 3‑34: مقایسه منحنی تنش-کرنش تک‌پیوند با ماده بالک سازنده آن.. 85
شکل 3‑35: مقایسه منحنی تنش-کرنش پیش‌بینی شده با منحنی تجربی مربوط به ساختار مشبک.. 86
شکل 3‑36: تاثیر طول تک‌پیوند بر منحنی تنش-کرنش آن.. 87
شکل 3‑37: نمای بریده شده از یک تک‌پیوند با 5 درصد تخلخل.. 88
شکل 3‑38: الف) منحنی تنش-کرنش تک‌پیوند به‌ازای مقادیر مختلف تخلخل ب) تغییرات مدول الاستیک (…).. 89
شکل 4‑1: تصویر بردار تنش ماکروسکوپیک رو هر میکروصفحه به مولفه‌های عمودی و مماسی تنش.. 97
عنوان صفحه
شکل 4‑2: دیاگرام فازی مربوط به آلیاژهای حافظه‌دار.. 100
شکل 4‑3: منحنی تنش-کرنش آلیاژهای حافظه‌دار زمانی که الف) تنش پایان آستنیت شدن بیشتر از (…) . 101
شکل 5‑1: سطح استحاله مربوط به آلیاژهای حافظه‌دار [241].. 104
شکل 5‑2: سطح استحاله متناظر با تنش معادل نامتقارن به‌ازای مقادیر (…).. 106
شکل 5‑3: روندنمای پیاده‌سازی مدل ساختاری سه‌بعدی نامتقارن برای آلیاژهای حافظه‌دار با بهره گرفتن از روش میکروصفحه.. 108
شکل 5‑4: مقایسه منحنی تنش-کرنش به دست آمده از مدلسازی با نتایج تجربی برای نمونه 1.. 110
شکل 5‑5: مقایسه منحنی تنش-کرنش به دست آمده از مدلسازی با نتایج تجربی برای نمونه 2.. 110
شکل 5‑6: مقایسه مدل حاضر با مدل جابر و همکارانش [324] در مدل کردن رفتار فروالاستیک.. 112
شکل 5‑7: مقایسه منحنی تنش-کرنش در رژیم فروالاستیک با نتایج تجربی ناکاشی و همکارانش [325].. 113
شکل 5‑8: مقایسه منحنی تنش-کرنش در بارگذاری چرخه‌ای نمونه‌های سوپرالاستیک با نتایج تجربی (…).. 114
شکل 5‑9: الف) شماتیک تست خمش چهار نقطه‌ای ب) نحوه محاسبه زاویه دوران در طول سنجه.. 114
شکل 5‑10: الف) نحوه اعمال شرایط مرزی و بارگذاری لوله تحت خمش خالص ب) دامنه تغییرات دوران اعمالی UR1 115
شکل 5‑11: منحنی تنش-کرنش تست کشش و فشار ساده مربوط به نمونه 6.. 116
شکل 5‑12: دیاگرام فازی مربوط به نمونه 7.. 117
شکل 5‑13: منحنی تنش-کرنش در کشش و فشار ساده در دمای الف) 286 ب) 296 ج) 306 کلوین.. 118
شکل 5‑14: مدل مش‌بندی شده برای مدلسازی خمش خالص الف) نمونه 6 ب) نمونه 7.. 119
شکل 5‑15: مقایسه نتایج به دست آمده توسط مدل و نتایج تجربی برای نمونه 4 الف) گشتاور -انحنا (…).. 120
شکل 5‑16: مقایسه نتایج به دست آمده توسط مدل و نتایج تجربی برای نمونه 5 در دمای الف) 286 (…).. 121
شکل 5‑17: تغییرات مدول الاستیک آستنیت بر حسب دما.. 122
شکل 5‑18: ریزساختار نمونه نایتینولی متخلخل با تخلخل 13 درصد [91].. 123
شکل 5‑19: الف) سلول واحد پیشنهادی جهت مدلسازی نایتینول متخلخل 13 درصد ب) مدل کاهش‌یافته سلول واحد.. 124
شکل 5‑20: منحنی تغییرات دانسیته حفرات در داخل مدل سلول واحد بر حسب میزان نفوذ کره‌ها در یکدیگر.. 124
شکل 5‑21: یک حجم نمونه تصادفی با N=1 و λ=0.1. 125
شکل 5‑22: مقایسه منحنی تنش-کرنش پیش‌بینی شده توسط مدل نمونه متخلخل نایتینولی 13 درصد با منحنی تجربی.. 127
شکل 5‑23: منحنی تنش-کرنش نایتینول متخلخل به‌ازای تخلخل‌های مختلف در بارگذاری فشار تک‌محوره.. 128
شکل 5‑24: مدل تصادفی به‌ازای N=2 و λ=0.1. 128
شکل 5‑25: منحنی تنش-کرنش آلیاژ حافظه‌دار متخلخل به‌ازای مقادیر مختلف (…).. 129
شکل 5‑26: مقایسه پاسخ نامتقارن نایتینول متخلخل 13 درصد با نتایج تجربی و مدل لیو و همکارانش [298].. 131
شکل 5‑27: بررسی تاثیر عدم تقارن مادی بر منحنی تنش کرنش فشاری نمونه نایتینولی با تخلخل 13 درصد.. 132
شکل 5‑28: الف) ریزساختار نایتینول متخلخل 42 درصد [287] ب) سلول واحد مورد استفاده جهت مدلسازی.. 132
عنوان صفحه
شکل 5‑29: مقایسه منحنی تنش-کرنش به‌دست آمده به‌ازای مقادیر مختلف زاویه θ برای الف) k=1.5 (…).. 134
شکل 5‑30: منحنی تنش کرنش در θ=45 برای مقادیر مختلف پارامتر k. 135
شکل 5‑31: مقایسه نتایج مدل الف) SMT ب) SMC و ج) AM با نتایج تجربی و مدل انتچو و لاگوداس [287].. 136
شکل 5‑32: منحنی تنش-کرنش نمونه متخلخل نایتینولی با تخلخل 42 درصد در بارگذاری کششی و فشاری.. 137
شکل 5‑33: تاثیر میزان تخلخل بر منحنی تنش-کرنش نایتینول متخلخل در بارگذاری کششی و فشاری.. 137
شکل 5‑34: تاثیر میزان تخلخل بر پارامتر بی‌بعد Λ.. 138
شکل 5‑35: سلول واحد استفاده شده جهت مدلسازی ماده مشبک با ریزساختار الف) BCC ب) BCC-Z. 139
شکل 5‑36: تغییرات تخلخل ریزساختارهای BCC و BCC-Z با قطر پیوندها.. 139
شکل 5‑37: منحنی تنش-کرنش ماده مشبک با هندسه BCC با تخلخل الف) 15/82 (…) . 141
شکل 5‑38: منحنی تنش-کرنش ماده مشبک با ریزساختار BCC-Z با تخلخل الف) 15/82 (…).. 142
شکل 5‑39: نمای دستگاه ذوب انتخابی توسط لیزر فنیکس PXM… 143
شکل 5‑40: اندازه دانه‌های پودر نایتینول پس از انجام فرایند ریزسازی.. 144
شکل 5‑41: مدل CAD و نمونه تولید شده توسط روش ذوب انتخابی توسط لیزر برای الف) ساختار BCC (…).. 145
شکل 5‑42: منحنی تست DSC برای نمونه‌های نایتینولی تولید شده توسط روش ذوب انتخابی توسط لیزر.. 146
شکل 5‑43: نمونه‌ای از تصاویر میکروسکوپی تهیه شده از ریزساختار ماده مشبک با مقیاس الف) 1000 میکرومتر (…).. 146
شکل 5‑44: نمودار توزیع احتمالی قطر مربوط به نمونه‌های نایتینولی مشبک.. 147
شکل 5‑45: نحوه تعیین انحراف از محور پیوند با بهره گرفتن از عکس‌های میکروسکوپی.. 147
شکل 5‑46: نمودار تنش-کرنش برای الف) نمونه چگال ب) ساختار مشبک تا شکست کامل نمونه.. 148
شکل 5‑47: نمودار تنش-کرنش در حالت بارگذاری-باربرداری برای الف) نمونه چگال ب) ساختار مشبک.. 148
شکل 5‑48: نمودار تنش فشاری بر حسب دما برای نمونه چگال.. 149
شکل 5‑49: نمودار تنش فشاری بر حسب دما برای نمونه با ریزساختار الف) BCC ب) BCC-Z. 149
شکل 5‑50: مقایسه منحنی تنش-کرنش تک‌پیوند و ماده چگال.. 151
شکل 5‑51: مدل چندسلولی برای ماده مشبک با ریزساختار الف) BCC ب) BCC-Z. 152
شکل 5‑52: مدل چندسلولی ساخته شده برای در نظر گرفتن عیوب در هندسه ریزساختاری الف) BCC ب) BCC-Z. 153
شکل 5‑53: منحنی تنش کرنش به‌دست آمده با بهره گرفتن از مدل سلول واحد بدون عیب، ترکیب مدل سلول (…).. 154
شکل 5‑54: منحنی تنش-کرنش تک‌پیوند در بارگذاری کششی و فشاری.. 156
شکل 5‑55: مقایسه منحنی تنش-کرنش ریزساختار الف) BCC ب) BCC-Z با بهره گرفتن از مدل ساختاری متقارن و نامتقارن.. 157
شکل 6‑1: عکس میکروسکوپی نشان دهنده وجود ترک در ریزساختار ماده مشبک نایتینولی با ریزساختار BCC-Z. 164
شکل 6‑2: قالب‌های سرامیکی تهیه شده جهت ریخته‌گری نایتینول.. 165
شکل 6‑3: نمونه نایتینولی در حال ذوب در داخل کوره.. 165
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 3‑1: مقایسه مدول الاستیک به دست آمده با بهره گرفتن از پودر Ti6Al4V و نمونه (…).. 60
جدول 5‑1: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 1.. 109
جدول 5‑2: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 2.. 109
جدول 5‑3: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 3.. 112
جدول 5‑4: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 4.. 112
جدول 5‑5: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 5.. 113
جدول 5‑6: پارامترهای هندسی لوله‌های استفاده شده برای تست خمش چهار نقطه‌ای [316, 319].. 116
جدول 5‑7: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 6.. 116
جدول 5‑8: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 7.. 117
جدول 5‑9: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی رفتار ماده هوشمند متخلخل.. 126
جدول 5‑10: مقدار پارامتر δ برای مقادیر مختلف تخلخل.. 127
جدول 5‑11: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 13 درصد نایتینولی.. 131
جدول 5‑12: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی نمونه 42 درصد نایتینولی.. 133
جدول 5‑13: پارامترهای مادی مورد استفاده جهت مدلسازی رفتار مکانیکی ساختارهای مشبک BCC و BCC-Z. 139
جدول 5‑14: پارامترهای مادی ماده بالک که با بهره گرفتن از منحنی تنش-کرنش نمونه چگال به دست آمده‌اند.. 150
جدول 5‑15: پارامترهای مادی ماده بالک که با بهره گرفتن از مدل تک‌پیوند به‌دست آمده‌است.. 152
جدول 5‑16: پارامترهای مادی ماده بالک نمونه نامتقارن.. 155
جدول 5‑17: پارامترهای مادی در حالت نامتقارن که با بهره گرفتن از مدل تک‌پیوند استخراج شده‌است.. 156
چکیده
امروزه مواد سلولی به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به فردی چون وزن اندک، استحکام زیاد، توانایی جذب انرژی بالا و مشخصات مکانیکی قابل تنظیم به‌طور گسترده در صنایع مختلف مانند صنایع هوایی، صنایع خودروسازی، جاذب‌های ارتعاش، صنایع پزشکی و عایق‌های حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. طی چند دهه گذشته، آلیاژهای حافظه‌دار به‌علت دارا بودن خواصی چون زیست‌سازگاری، حافظه‌داری، قابلیت جذب انرژی ، سوپرالاستیک بودن و مقاومت در مقابل خوردگی مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته و تلاش‌ها برای تولید نمونه‌های سلولی از این مواد روز به روز در حال گسترش است. آلیاژهای حافظه‌دار سلولی به دلیل دارا بودن خواص یک ماده سلولی از یکسو و خواص یک آلیاژ حافظه‌دار از سوی دیگر کاربردهای فراوانی در عرصه پزشکی و صنایع مختلف یافته‌اند و این کاربردها روز به روز افزایش می‌یابند. با توجه به گران و وقت‌گیر بودن روش‌های تولید آلیاژهای حافظه‌دار سلولی توسعه مدل‌هایی که بتوانند خواص مکانیکی این مواد را به‌صورت تابعی از هندسه آن ها پیش‌بینی کنند بسیار حائز اهمیت خواهد بود. در این رساله هدف کلی، ارائه روشی مناسب برای مدلسازی ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار مشبک، که حالتی خاص از یک ماده سلولی می‌باشد، است. برای رسیدن به این هدف سه گام اصلی در نظر گرفته می‌شود. در گام نخست به مدلسازی مواد مشبک با رفتار ماده بالک الاستیک-پلاستیک عادی پرداخته شده و اثرات ماده بالک سازنده و وجود بی‌نظمی‌ها و عیوب هندسی بر رفتار مکانیکی این مواد مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. نتایج این تحلیل‌ها نشان می‌دهد که دو پارامتر ماده بالک و عیوب هندسی می‌توانند به‌طور قابل ملاحظه‌ای خواص مکانیکی مواد مشبک را تحت تاثیر قرار دهند. هرچند که لحاظ کردن عیوب هندسی به رسیدن به پاسخ‌های دقیق‌تر کمک می‌کند اما به شدت بر حجم محاسبات مورد نیاز می‌افزاید. برای غلبه بر این مشکل یک مدل محاسباتی کارآمد جهت مدلسازی مواد مشبک ارائه شده و با بهره گرفتن از داده‌های تجربی صحت‌سنجی می‌گردد. در گام دوم یک معادله ساختاری سه‌بعدی متقارن برای بیان رفتار ترمومکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار چگال بر مبنای روش میکروصفحه ارائه می‌گردد. سپس این مدل ساختاری به‌گونه‌ای تعمیم داده می‌شود که بتواند عدم تقارن مادی در کشش و فشار را نیز مدل کند. پس از آنکه معادله ساختاری پیشنهادی با بهره گرفتن از داده‌های تجربی موجود در بارگذاری تک‌محوره در رژیم‌های سوپرالاستیک و فروالاستیک و بارگذاری خمش خالص صحت‌سنجی گردید، چندین نمونه متخلخل و مشبک با بهره گرفتن از روابط ساختاری متقارن و نامتقارن مدلسازی شده و اثرات عدم تقارن مادی و وجود بی‌نظمی‌ها و عیوب هندسی بر پاسخ مکانیکی ماده مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. نتایج این تحلیل‌ها نشان می‌دهد که وجود بی‌نظمی و عیوب هندسی خواص مکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار متخلخل و مشبک را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد و هرچه این عیوب دقیق‌تر مدل شوند نتایج مدلسازی با نتایج تجربی همخوانی بهتری خواهند داشت. برای نمونه‌های مشبک از جنس نایتینول استفاده از مدل کارآمد محاسباتی برای وارد کردن عیوب هندسی، حداکثر خطای منحنی تنش-کرنش را حدود 20 درصد کاهش می‌دهد. این در حالیست که مدل دارای عیب به کاهش حداکثر خطا تا 32 درصد منجر خواهد شد. از سوی دیگر بررسی تاثیر عدم تقارن مادی بر پاسخ مکانیکی نمونه‌های مشبک نشان می‌دهد که میزان تاثیر عدم تقارن مادی بر رفتار مکانیکی این مواد تابعی از هندسه ریزساختاری ماده و میزان تخلخل آن می‌باشد. نتایج نشان می‌دهد که هرچه سهم بارگذاری محوری در مکانیزم‌های تغییرشکل ماده مشبک مورد بررسی بیشتر باشد اثرات عدم تقارن مادی کمتر خواهد بود.
لغات کلیدی: آلیاژهای حافظه‌دار، مواد متخلخل، مواد مشبک، معادله ساختاری، عدم تقارن مادی، بی‌نظمی هندسی، عیوب هندسی
1 فصل اول
مقدمه
با توجه به اینکه هدف کلی رساله حاضر مدلسازی ساختاری آلیاژهای حافظه‌دار مشبک است، این مقدمه به سه بخش کلی تقسیم می‌گردد. در بخش اول آلیاژهای حافظه‌دار[1] معرفی شده، خواص آن ها به‌طور مختصر بیان گردیده و در پایان برخی از کاربردهای آن ها در صنایع مختلف ارائه می‌گردد. بخش دوم به معرفی، خواص و کاربردهای مواد سلولی[2] از جنس مواد الاستیک-پلاستیک عادی اختصاص دارد. بخش سوم با معرفی آلیاژهای حافظه‌دار سلولی آغاز شده و با بیان خواص و کاربردهای آن ها پایان می‌یابد. در پایان اهمیت وجود مدلی که بتواند رفتار مکانیکی آلیاژهای حافظه‌دار مشبک را پیش‌بینی نماید بیان گشته، موضوع مورد بحث در این رساله تعریف شده و ساختار کلی آن ارائه می‌گردد. در این رساله دو عبارت ماده سلولی و ماده مشبک به مراتب مورد استفاده قرار خواهند گرفت که لازم است تفاوت بین آن ها به‌خوبی درک شود. در ادامه عبارت ماده سلولی به هر ماده‌ای که در هندسه خود دارای حفره باشد گفته می‌شود. بنابراین یک ماده سلولی هر دو نوع مواد متخلخل[3] و مواد مشبک[4] را در بر می‌گیرد. این در حالیست که واژه ماده مشبک تنها برای موادی به کار می‌رود که دارای هندسه ریزساختاری منظم بوده که این هندسه از اتصال تعدادی پیوند[5] به یکدیگر تولید شده‌است.
1-1- آلیاژهای حافظه‌دار و کاربردهای آن ها
تکنولوژی روز دنیا به سمت استفاده از سیستم‌های هوشمند در حال حرکت است. در این راستا استفاده از سنسورها، محرک‌ها و میکرو کنترل‌کننده‌ها اجتناب ناپذیر خواهد بود که خود افزایش وزن و ابعاد این تجهیزات را به دنبال خواهد داشت. به طور خاص افزایش وزن رابطه مستقیمی با مصرف انرژی و افزایش آلودگی محیطی دارد که در دنیای امروز چالش بزرگی به شمار می‌آید. در حال حاضر بیش از 200 عملیات تحریکی در ماشین‌آلات مختلف با بهره گرفتن از روش سنتی موتورهای الکترومغناطیسی انجام می‌گیرد [1]. این مهم نه تنها باعث کاهش کارآیی این ماشین‌آلات می‌گردد بلکه هزینه‌های نگهداری و مصرف انرژی زیادی را تحمیل می کند [2]. رفع بسیاری از مشکلات فوق با بهره گرفتن از مواد هوشمند[6] میسر گردیده است. در این میان آلیاژهای حافظه‌دار به دلیل خواصی چون جذب انرژی زیاد، تامین کرنش و نیروی تحریک زیاد و زیست سازگاری از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. می‌توان کشف فاز سرد[7] یا فاز مارتنزیت[8] در فولادها توسط آدولف مارتنز[9] در سال 1890 را مقدمه کشف آلیاژهای حافظه‌دار دانست [3, 4]. آلیاژ حافظه‌دار اولین بار در سال 1932 توسط آرن اولاندر[10] کشف و با نام خاصیت شبه-لاستیک گزارش شد [5]، اما واژه حافظه شکل[11] برای اولین بار توسط ورنون[12] در سال 1941 برای ماده پلیمری وی، که کاربرد دندانپزشکی داشت، توصیف گردید [6]. با این وجود اهمیت این مواد تا سال 1962 که بوهلر و ونگ[13] [7, 8] خاصیت حافظه‌داری[14] نایتینول[15] را کشف کردند بر کسی آشکار نشد. از آن پس تقاضا برای استفاده از آلیاژهای حافظه‌دار در کاربردهای مهندسی، صنعتی و پزشکی روز به روز افزایش یافت. در ادامه به اختصار به معرفی این مواد پرداخته و برخی از کاربردهای آن ها معرفی می‌شوند.
1-1-1- معرفی آلیاژهای حافظه‌دار
آلیاژهای حافظه‌دار، آلیاژهای فلزی هستند که می‌توانند طی یک فرایند به یادآوری[16] تغییرشکل‌های اعمال شده، تا حدود 10 درصد، را بازیابی نمایند. این فرایند به یادآوری می‌تواند افزایش دما یا اعمال یک میدان مغناطیسی باشد. در کنار این ویژگی، ماهیت فلزی این مواد منجر به خواص ویژه‌ای چون استحکام زیاد و سختی بالا بسیار می‌شود [3, 4]. در اینجا تنها آلیاژهای حافظه‌داری مورد مطالعه هستند که با افزایش دما شکل اولیه خود را باز می‌یابند.
به طور کلی آلیاژهای حافظه‌دار در محدوده دمایی معمول، دارای دو فاز با ساختار کریستالی و خواص متفاوت هستند. یکی از این فازها همان فاز مارتنزیت یا فاز دما پایین[17] است که در دمای پایین پایدار است و دیگری که در دمای بالا موجود است، فاز دما بالا[18] یا آستنیت[19] نام دارد. تغییر فاز بین آستنیت و مارتنزیت، که به استحاله مارتنزیتی[20] شهرت دارد، اولین بار توسط چانگ و رید[21] در سال 1951 و در مطالعه آلیاژ Au-Cd مشاهده و گزارش شد [9]. این تغییر فاز بدون جابجایی انفرادی اتم‌ها و تنها با جابجایی گروهی آنها، که منجر به برش در ماده می‌شود، اتفاق می‌افتد. فاز مارتنزیت خود می‌تواند به صورت ترکیبی از جهت‌گیری‌های مختلف باشد. بر این اساس دو نوع مارتنزیت دوقلو و غیر دوقلو وجود دارد. مارتنزیت دوقلو ترکیبی از جهت‌گیری‌های خود-تطبیق مارتنزیتی است حال آنکه مارتنزیت غیر دوقلو از تغییر جهت در فاز مارتنزیت به‌دست آمده‌است به‌گونه‌ای که یک جهت‌گیری، جهت‌گیری غالب را تشکیل می‌دهد. شکل 1‑1 فازهای آستنیت، مارتنزیت دوقلو و غیر دوقلو را نشان می‌دهد.
[1] Shape memory alloys (SMA)
[2] Cellular material
[3] Porous materials
[4] Cellular lattice structures
[5] Ligament
[6] Smart materials
[7] Cold phase
[8] Martensite
[9] Adolf Martens
[10] Arne Ölander
[11] Shape memory
[12] Vernon
[13] Buehler and Wang
[14] Shape memory effect
[15] Nitinol
[16] Memorization
[17] Low temperature phase
[18] High temperature phase
[19] Austenite
[20] Martensite transformation
[21] Chang and Read
(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)
تعداد صفحه : 289
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 : parsavahedi.t@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.
[add_to_cart id=154641]
