Modelling of mechanical behaviour of shape memory alloys using finite elements method

Abstract

Методом скінчених елементів змодельовано й експериментально досліджено псевдопружну поведінку нікель-титанового сплаву за змінної амплітуди навантаження. Зразки з нікель-титанового сплаву (Ni – 55,8%, Ti – 44,2%) діаметром d = 1,5 мм і довжиною робочої ділянки L = 30 мм досліджували за одновісного розтягу на випробувальній машині FP-100 при кімнатній температурі на повітрі. Експериментально визначено механічні характеристики матеріалу та напруження старту й фінішу прямих і зворотних фазових перетворень, використаних при моделюванні. Створено скінченоелементну тривимірну модель, здатну відтворювати псевдопружну поведінку за статичного й повторно-статичного навантаження розтягом та розвантаження. За результатами моделювання методом скінчених елементів у середовищі ПК ANSYS Workbench 17.1 отримано залежності напружень від деформації в кожному циклі за змінної амплітуди навантаження. Виявлено, що за змінної амплітуди навантаження напруження початку та закінчення прямих і зворотних фазових перетворень змінюються у кожному циклі, а розрахункові залежності напружень від деформацій задовільно узгоджуються з експериментальними. Похибка напружень, обчислених методом скінчених елементів упродовж усіх циклів навантаження не перевищує 10,1%, а деформацій – 6,1%. У точках, які відповідають напруженням прямих і зворотних перетворень, обчислена енергія пружної деформації та енергія дисипації. Похибка енергії пружної деформації при чисельному моделюванні не перевищує 10,9%, а енергії розсіювання (дисипації) – 10,8% порівняно з експериментальними даними. Отримані результати мають теоретичне й прикладне значення для моделювання псевдопружної поведінки, міцності й витривалості конструкцій з сплавів з пам’яттю форми за сталої та змінної амплітуди навантаження.

Superelastic behaviour of Ni-Ti alloy wire under variable amplitude loading was simulated and experimentally studied. Mechanical properties and phase transformation stresses (𝜎𝑀𝑠, 𝜎𝑀𝑓, 𝜎𝐴𝑠, 𝜎𝐴𝑓) of the material were obtained in uniaxial tensile test. The wire of 55,8% Ni – 44,2% Ti alloy with a diameter of 1,5 mm and a working length of 30 mm was tested at room temperature (+ 16°C) on the air. On the base of finite elements method, using ANSYS the stress-strain dependencies on each loading cycle were calculated. The stress-phase transformation are changes under a variable amplitude loading. The simulated stress-strain dependencies were compared with the experimental ones. The maximum error, being compared with experimental data, does not exceed 10,9%. The calculated dependences of elastic strain and dissipated energies on the amplitude stress are well agreed with experimental data. The obtained results are of theoretical and applied interest for modelling the superelastic behaviour of SMA under variable amplitude loading.