matematické modelování inteligentních slitin

31
Matematické modelování inteligentních slitin Petr Sedlák , Hanuš Seiner, Miroslav Frost, Barbora Benešová

Upload: phamliem

Post on 31-Dec-2016

222 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: Matematické modelování inteligentních slitin

Matematické modelováníinteligentních slitin

Petr Sedlák, Hanuš Seiner, Miroslav Frost, Barbora Benešová

Page 2: Matematické modelování inteligentních slitin

� výztuhy cév – stenty� „pohaněče“ - aktuátory� textilie� kompozity� ...

Materiálu s tvarovou pamětí– úvod

Page 3: Matematické modelování inteligentních slitin

Materiálu s tvarovou pamětí– úvod

Page 4: Matematické modelování inteligentních slitin

Materiálu s tvarovou pamětí– úvod

Page 5: Matematické modelování inteligentních slitin

Materiálu s tvarovou pamětí– úvod

Rozhraní austenit-martenzit v monokrystalu CuAlNi

Page 6: Matematické modelování inteligentních slitin
Page 7: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování martenzitických mikrostruktur

Page 8: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování martenzitických mikrostruktur

Page 9: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování martenzitických mikrostruktur

Page 10: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování šíření rozhraní A-M v monokrystalu CuAlNi

Page 11: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování rozhraní martenzitických dvojčat v monokrystalu NiMnGa

Page 12: Matematické modelování inteligentních slitin

Materiálu s tvarovou pamětí– modelování polykrystalických materiálů

Page 13: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování SMA – experimenty na NiTi drátech

� Wire behavior in tension � Wire behavior in torsion

� Material: FWM#1 superelastic NiTi wire, straight annealed, diameter 0.1mm

Constructed by Jan Pilch, Institute of Physics, AS CR

Page 14: Matematické modelování inteligentních slitin

� Wire behavior in tension � Wire behavior in torsion

� Material: FWM#1 superelastic NiTi wire, straight annealed, diameter 0.1mm

Modelování SMA – experimenty na NiTi drátech

Page 15: Matematické modelování inteligentních slitin

� Wire behavior in tension � Wire behavior in torsion

� Material: FWM#1 superelastic NiTi wire, straight annealed, diameter 0.1mm

Modelování SMA – experimenty na NiTi drátech

Page 16: Matematické modelování inteligentních slitin

� Wire behavior in tension � Wire behavior in torsion

� Material: FWM#1 superelastic NiTi wire, straight annealed, diameter 0.1mm

Modelování SMA – experimenty na NiTi drátech

Page 17: Matematické modelování inteligentních slitin

� Wire behavior in tension � Wire behavior in torsion

� Material: FWM#1 superelastic NiTi wire, straight annealed, diameter 0.1mm

Modelování SMA – experimenty na NiTi drátech

Page 18: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování SMA – formulace modelu

18

� Key ingredients: I. state variablesII. (Helmholz) free energyIII. dissipation

� Generalized Standard Materials (Models) framework

• free energy function and dissipation function

• assures thermodynamical consistency if specific conditions on dissipation function are fulfilled

• minimum dissipation potential principle

Page 19: Matematické modelování inteligentních slitin

• phase transformation: volume fraction of martensite,

• martensite structure evolution: mean transformation strain of martensite (tensor),

• total strain (small strain setting):

• R-phase transformation: volume fraction of R-phase,

19

� I. state variables:

• temperature (parameter in case of isothermal regimes):

� imposed restrictions on internal variables:

Modelování SMA – formulace modelu

Page 20: Matematické modelování inteligentních slitin

• elastic energy:

20

• chemical energy:

� II. Helmholz free energy:

Modelování SMA – formulace modelu

Page 21: Matematické modelování inteligentních slitin

21

• novel form, allows to capture various phenomena• rate-independent, asymmetric• state-dependent (dissipative variables, temperature)• can be derived from a set of assumptions inspired by microstructural

findings

� III. Dissipation function:

Modelování SMA – formulace modelu

Page 22: Matematické modelování inteligentních slitin

22

Mathematical framework

22

� quasistatic mechanical loading of a SMA body with prescribed temperature evolution

� in our case: temperature-dependent dissipation!

� energetic solution concept suitable for rate-independent processes

• conditions on model parameters

• existence of solution(s)

Page 23: Matematické modelování inteligentních slitin

23

Numerická implementace – Abaqus UMAT

23

Page 24: Matematické modelování inteligentních slitin

Model – Material Parameters

Page 25: Matematické modelování inteligentních slitin

Model – Material Parameters

� Anisotropy of transformation strain

� Tension-compression asymmetry

B. Reedlunn et al. / J. Mech. Phys. Solids

Page 26: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování SMA – 3D model

� simulace SMA drátu

Page 27: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování SMA – 3D model

� simulace SMA drátu

Page 28: Matematické modelování inteligentních slitin

2828

Modelování SMA – 3D model

Page 29: Matematické modelování inteligentních slitin

Modelování SMA – 3D model

Page 30: Matematické modelování inteligentních slitin

NiTi spring – fatigue tests

Number of cycles to failure for different mean strokes and stroke amplitudes (peak topeak). Contour plot corresponds to periodic change of volume fraction of martensite according to simulations.

Page 31: Matematické modelování inteligentních slitin

� Seiner, H. - Sedlák, P. - Landa, M.: Shape recovery mechanism observed in single crystals of Cu-Al-Ni shape memory alloy. Phase transitions. Vol. 81(2008), No. 6, pp. 537-551.

� Straka, L. - Heczko, O. - Seiner, H. - Lanska, N. - Drahokoupil - J., Soroka - A., Fähler, S. -Sozinov, A: Highly mobile twinned interface in 10 M modulated Ni-Mn-Ga martensite: Analysis beyond the tetragonal approximation of lattice. Acta Materialia Vol.59 (2011) (20) , pp. 7450-7463.

� P. Sedlák - M. Frost - B. Benešová - T. Ben Zineb - P. Šittner: Thermomechanical model forNiTi-based shape memory alloys including R-phase and material anisotropy under multi-axial loadings, International Journal of Plasticity 39 (2012) 132–151

References: