آلیاژهای حافظه دار در نرم افزار Ansysy

نویسنده admin 1396/03/23 0 نظر مطالب,
آلیاژهای حافظه دار در نرم افزار Ansysy

 

آلیاژهای حافظه ­دار در نرم­ افزار Ansys

 

در مقاله آموزشی تحت عنوان آشنایی با نرم افزار Ansys و راهنمای نصب نرم افزار Ansys به طور کامل به آشنایی با نرم افزار Ansys و راهنمای نصب نرم افزار Asnsys پرداخته شد و ذکر گزدید که نرم افزار Ansys یکی از مهم ترین و پرکاربردترین نرم افزارهای مهندسی در مقطع کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران می باشد که بسیاری از دانشجویان رشته مهندسی عمران با استفاده از نرم افزار Ansys به ارایه مقالات علمی و پژوهشی و پایان نامه های کارشناسی ارشد می پردازند .

نرم افزار ANSYS (ANalysis SYStem) یکی از نرم افزارهای قدرتمند برای تحلیل انواع سازه های مکانیکی می باشد که به روش اجزاء محدود به آنالیز مسائل می پردازد و برای اولین بار در سال 1970 توسط John A. Swanson در شرکت آمریکایی ANSYS Inc ارائه شد که تنها آنالیز استاتیکی ، دینامیکی و حرارتی را شامل می شد و هرساله با توسعه قابلیت های آن ، نسخه های جدیدتری به بازار عرضه می­شد تا اینکه در سال های اخیر یک تحول عظیمی در نرم افزار انسیس بوجود آمد و آن ارائه نسخه ANSYS Workbench بود که تغییر گرافیکی و نحوه عملکردی آن بود که نسبت به نسخه قدیمی آن (APDL) تغییرات زیادی را شامل می شد.  نرم افزارهای تحلیل مانند نرم افزار ANSYS به طراحان و مهندسان کمک شایانی در ارائه طرح های مختلف در سریعترین زمان ممکن و کمترین هزینه میکند.

     روابط سازنده‌ی آلیاژ حافظه‌دار، تابعی از سه پارامتر تنش، کرنش، و دما است. بیش‌تر مدل‌های مورد استفاده‌ی این آلیاژ برای بارگذاری شبه‌استاتیک تعریف شده‌اند و تابع دو پارامتر تنش و کرنش هستند. خصوصیات روابط تشکیل‌دهنده‌ی آلیاژ حافظهدار به صورت قابل توجهی به نرخ کرنش بستگی دارند. وقتی بار دینامیکی به سازه اعمال می‌شود باید اثر نرخ کرنش در نظر گرفته شود.[1]

 

آلیاژ حافظه ­دار در نرم­ افزار

 

     چون بیش‌تر کاربردهای آلیاژ حافظه‌دار در مهندسی عمران به استفاده از آنها به عنوان میلگرد و مفتول ربط دارد، مدل‌های یک بعدی برای مدل‌سازی آنها مناسب قلمداد می‌شود. بسیاری از محققان مدل‌هایی یک بعدی برای رفتار این میلگردها ارائه داده‌اند. رفتار فوق‌الاستیک میلگردهای آلیاژ حافظه‌دار در تعدادی از نرم‌افزارهای المان محدود، ارائه داده شده است، مثل انسیس[1] آباکوس[2]، و سیزموستراکت[3] که مدل‌های ماده در این نرم‌افزارها به ترتیب با استفاده از مدل‌های[2]،[3] و [4] تعریف شده است. در مدل فوق‌الاستیک یک بعدی این ماده در نرم‌افزار Ansys ، میلگرد آلیاژ حافظه‌دار، در یک دمای ثابت، تحت تنش چرخه‌ای قرار گرفته و دچار تغییر فاز آستنایت-به مارتنزایت شده است و سپس نمودار تنش-کرنش آن رسم می­شود.

 

·آشنایی با مدل تنش-کرنش آلیاژ حافظه‌ دار

 

     رابطه‌ی تنش-کرنش آلیاژ حافظه‌دار نیکل-تیتانیومی یک نمودار خطی 4 شاخه‌ای با منحنی‌های صاف است[5].

 

 

شکل ‏1‑1 نمودار تنش-کرنش آلیاژ حافظه ­دار

 

     شکل (a) نشان­دهنده­ی نمودار تنش-کرنش آلیاژ حافظه­ دار است وقتی که این آلیاژ در دمای کمتر از دمای فاز مارتنزایت است. شکل (b) نشان­دهنده­ی نمودار تنش-کرنش آلیاژ حافظه ­دار است وقتی که این آلیاژ در دمای بیشتر از  دمای فاز آستنایت قرار دارد. به بیان دیگر اگر در شکل (b) محور کرنش به بالا حرکت کند شکل (a) حاصل می­شود.

     برای تحلیل عددی به منظور بررسی رفتار یک سیستم بتنی از نرم­افزارهای گوناگونی می­توان استفاده نمود که از آن جمله می­توان به نرم­افزارهایی نظیر Abaqus، OpenSees و همچنین نرم ­افزارهای متداول مهندسی چون Sap2000[4]، Etabs[5]، و سایزموستراکت[6]، اشاره نمود. نرم ­افزارهای گروه اول دارای کتاب­خانه­ی قوی برای رفتار غیرخطی مصالح می­باشد و همچنین می­توان منحنی هیسترزیس تنش-کرنش مواد را به نرم­ افزار معرفی نمود. نرم افزارهای گروه دوم نسبت به نرم­ افزارهای گروه اول محدودیت­های زیادی جهت انجام تحلیل­های غیرخطی دارند، از جمله به تعریف المان­های سه بعدی (سالید) با رفتار غیرخطی، مد نظر قرار دادن کل سیستم به صورت غیرخطی و غیره می­توان اشاره نمود.

     برای مدل­سازی تیر به ستون مسلح باید به سراغ یک نرم­افزار اجزا محدود رفت. نرم ­افزارهای آباکوس، انسیس، اپنسیس و سایزمواستراکت مورد بررسی قرار گرفت تا نرم ­افزار مناسب­تر برای این شبیه­ سازی انتخاب گردد. نرم ­افزار قدرت­مند آباکوس برای تحلیل بتن مسلح نرم­افزاری مناسب است اما برای مدل­سازی خصوصیات رفتاری بتن با پارامترهای فراوانی روبه­رو خواهیم شد که تشخیص و تعیین مقادیر صحیح برای آن­ها با مشکلات زیادی همراه خواهد بود. علاوه بر آن نرم افزار Abaqus در مدل­های ماده­ی خود، مدل ماده­ی آلیاژ حافظه­ دار را ندارد، اما این امکان وجود دارد که مدل ماده مورد نظر را به وسیله­ی نوشتن کد[7] یا استفاده از کدهای موجود به نرم­ افزار بشناسانیم. کدهای در دسترس و منتشر شده برای مدل ماده­ی میلگرد آلیاژ حافظه­ دار هیچ کدام قادر به انجام تحلیل دینامیکی نبودند و فقط در تحلیل استاتیکی می­توان از آنها سود برد.

     نرم افزار Ansys، Opensees و سایزمواستراکت هر سه در مدل­های مواد خود میلگرد آلیاژ حافظه­دار را تعریف کرده­اند و به راحتی توسط کاربر قابل استفاده است. اما نرم افزار Opensees و سایزمواستراکت بیشتر در تحلیل­های ماکرو[8] کاربرد دارد مانند یک قاب یا یک ساختمان و برای تحلیل­های میکرو[9] مانند یک اتصال بهتر است سراغ نرم افزار Opensees و نرم افزار Abaqus برویم.

      نرم­ افزار Ansys به دلیل دارا بودن مدل میلگرد آلیاژ حافظه ­دار، توانایی تحلیل جزئی در اتصال، قدرت دقیق نشان دادن محل دقیق ترک­ها و حتی جهت ترک­ها به عنوان نرم­ افزار شبیه ­سازی برای این تحقیق انتخاب شد.

     نرم­ افزار Ansys قابلیت انجام انواع آنالیزهای غیرخطی مادی و هندسی و تاریخچه زمانی را داراست و مدت زمان زیادی است که برای انجام تحلیل­های مختلف مورد توجه بوده است.

     به منظور ساخت یک مدل المان محدود سه بعدی از یک سیستم بتنی و تحلیل غیرخطی آن به طور کلی با فرایند تعریف مصالح و المان­های بتن و آرماتور مواجه هستیم که در ذیل به طور جداگانه در مورد هر کدام توضیحاتی ارائه می­گردد.

مدل ماده­ی میلگرد آلیاژ حافظه­ دار به دو گونه و بر اساس دو ویژگی حافظه ­دار بودن و فوق ­الاستیک بودن قابل تعریف است. اگر مدل را با حافظه­ دار بودن آن تعریف کنیم نرم­ا فزار پارامترهای حرارتی را به عنوان خصوصیات از ما می­خواهد و اگر مدل را با خاصیت فوق­ الاستیک آن تعریف کنیم آن­گاه فرض می­شود ضریب الاستیک قسمت مارتنزایت هم به اندازه­ی ضریب الاستیک قسمت آستنایت است. حال آن­که اگر مدل را با خاصیت حافظه ­داری­اش تعریف کرده بودیم می­توانستیم ضریب­های متفاوتی را برای قسمت مارتنزایت مدل بدهیم، در واقع می­توانستیم شیب خط را در قسمت مارتنزایت هر مقدرا که می­خواهیم در نظر بگیریم. در عوض در حالت فوق ­الاستیک می­توانیم شیب­های خطوط تنش-کرنش را در قسمت انتقال (خطوط نسبتا افقی نمودار پرچمی) متفاوت بگیریم در حالیکه در حالت حافظه ­دار شیب این دو خط یکسان فرض می­شود.

     رفتار آلیاژ حافظه­ دار در کشش توسط 6 پارامتر معرفی می­شود که در شکل ‏3‑4 مشخص شده اند. سپس به وسلیه­  ضریب آلفا به عنوان پارامتر هفتم، نرم افزار Ansys رفتار این آلیاژ را در فشار شناسایی می­کند.

 

 

 

‏3‑4 پارامترهای مربوط  به نمودار تنش-کرنش آلیاژ حافظه دار در نرم افزار Ansys

 

EX = ضریب الاستیسیته­ی آلیاژ حافظه­دار

C1 = تنش شروع فاز آستنایت (تنش تسلیم آلیاژ حافظه­دار)

C2 = تنش پایان فاز آستنایت

C3 = تنش شروع  فاز آستنایت

C4 = تنش پایان  فاز مارتنزایت

C5 = کرنش باقی­مانده

 

 

     اگر رفتار کشش-فشار در آلیاژ حافظه­دار یکسان باشد، این کار را در نرم افزار Ansys با قرار دادن مقدار صفر برای α در مدل ماده­ی میلگرد آلیاژ حافظه ­دار قرار می­دهیم.

 

 

برای آشنایی بیشتر با نرم افزار های نام برده شده در این مقاله می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقاله مورد نظر هدایت شوید:

آشنایی و راهنمای نصب نرم افزار Sap2000

آشنایی راهنمای نصب نرم افزار Abaqus

آشنایی با نرم افزار Opensees

آشنایی با آلیاژهای حافظه دار

آشنایی با نرم افزار Ansys

 

مراجع:

 

[1]       H. Tobushi, Y. Shimeno, T. Hachisuka, and K. Tanaka, "Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloy," Mechanics of Materials, vol. 30, pp. 141-150, 1998.

[2]       F. Auricchio, "A robust integration-algorithm for a finite-strain shape-memory-alloy superelastic model," International Journal of plasticity, vol. 17, pp. 971-990, 2001.

[3]       F. Auricchio and R. L. Taylor, "Shape-memory alloys: modelling and numerical simulations of the finite-strain superelastic behavior," Computer methods in applied mechanics and engineering, vol. 143, pp. 175-194, 1997.

[4]       F. Auricchio and E. Sacco, "A temperature-dependent beam for shape-memory alloys: constitutive modelling, finite-element implementation and numerical simulations," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 174, pp. 171-190, 1999.

[5]       M. Alam, M. Youssef, and M. Nehdi, "Utilizing shape memory alloys to enhance the performance and safety of civil infrastructure: a review," Canadian Journal of Civil Engineering, vol. 34, pp. 1075-1086, 2007.

 

 


[1] ANSYS

[2] ABAQUS

[3] Seismostruct

[4] SAP2000

[5] ETABS

[6] SEISMOSTRUCT

[7] Subroutine

[8] macro

[9] micro

افزودن نظر