Підвищення деформованих властивостей елементів конструкцій за циклічних навантажень шляхом застосування сплавів з пам’яттю форми

Abstract

Биків Н.З. Підвищення деформівних властивостей елементів конструкцій за циклічних навантажень шляхом застосування сплавів з пам’яттю форми. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії в галузі знань 13 “Механічна інженерія” за спеціальністю 131 «Прикладна механіка». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2024. Дана робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми, а саме підвищення деформівності конструкційних елементів за циклічних навантажень шляхом застосування сплавів з пам'яттю форми. Розроблено комплекс методик дослідження впливу асиметрії циклу навантаження на функціональні властивості й механічну втому сплавів з пам’яттю форми з використанням силових, деформаційних і енергетичних параметрів. Досліджено вплив асиметрії циклу навантаження на функціональні та конструкційні властивості СПФ. Беручи до уваги визначені температури фазових перетворень, встановлені механічні і досліджені функціональні та конструкційні властивості СПФ виготовлена залізобетонна балка із використання вставки із псевдопружного СПФ. Експериментальні дослідження балок показали, що балка із вставкою з псевдопружного СПФ має підвищену деформівність у порівнянні із звичайною залізобетонною балкою за малоциклових навантаженнях. В процесі виготовлення балки із СПФ вставкою вирішено проблематику з'єднання елемента СПФ у вигляді прутка діаметром 8 мм із робочою арматурою 12 мм в діаметрі. В програмному комплексів ANSYS із використання методу скінченних елементів змодельовано поведінку балок, в тому числі зі встакою з псевдопружного СПФ за дії циклічного навантаження. Отримано точні дані про розподіл напружень та деформацій у балках що, підтверджують підвищення деформівності та довговічності конструкцій шляхом застосування СПФ за дії циклічних навантажень. Зміст роботи складається з п’яти розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати дисертаційної роботи. У вступі обґрунтовано актуальність дослідження, наведено зв’язок роботи з науково-дослідною темою, поставлено мету та визначено завдання дослідження, об’єкт та предмет дослідження, наведено перелік методів дослідження, що застосовувались для досягнення мети дисертаційної роботи. Сформульовано наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та особистий творчий внесок здобувача. Подано відомості щодо апробації та опублікування результатів дослідження. У першому розділі представлено кристалічну будову сплавів з пам’яттю форми, яка відповідає за унікальні властивості, а саме ефекти псевдопружності та пам’яті форми. Проведено огляд літературних джерел, щодо застосування СПФ у конструкціях задля підвищення деформівності за динамічних навантажень. На основі проведеного огляду сформульовано мету та задачі дослідження. У другому розділі описані методики дослідження механічних і функціональних властивостей сплавів з пам'яттю форми, що є необхідними для подальшого аналізу, створення експериментальних зразків та модельних зразків. Механічні властивості псевдопружного СПФ визначали згідно стандарту ASTM F2516-14 на сервогідравлічній машині СТМ-100. Температури фазових трансформацій визначено методом диференціальної сканувальної калориметрії з використанням калориметра NETZSCH DSC 214 Polyma. Представлена експериментальним методика визначення механічної втоми та функціональних властивостей псевдопружних СПФ на універсальній випробувальній машині СТМ-100 при кімнатній температурі, з використанням екстензометра та індуктивного датчика для вимірювання деформацій та переміщення. Особлива увага приділялася дослідженню опору втомному руйнуванню нітинолу під впливом циклічних навантажень з різними коефіцієнтами асиметрії.Представлена методика моделювання механічної поведінки і демпфувальних властивостей як і ЗББ так і ЗББ-СПФ у програмному комплексі ANSYS 2024 R1. У третьому розділі подано результати експериментальних досліджень впливу циклічного навантаження на механічну поведінку і функціональні властивості надпружного NiTi сплаву з пам’яттю форми з урахуванням асиметрії циклу навантажень, а також виявлені фрактографічні особливості їх деформування та руйнування. Результати показали, що підвищення асиметрії циклу навантаження від 0,1 до 0,5 погіршує функціональні властивості матеріалу, а саме зменшує енергію дисипації. Зокрема, за однакового значення максимального напруження NiTi сплаву енергія дисипації, на ділянці стабілізації, при Rσ = 0,1 приблизно втричі більша за σmax = 450 МПа ніж при Rσ = 0,5. При чому, із збільшенням максимального напруження, ця різниця зростає, і при σmax = 550 МПа за коефіцієнта асиметрії 0,1 енергія дисипації у 4,2 рази більша ніж при Rσ = 0,5. Встановлено, що на початковому етапі навантаження, упродовж перших 10-ти циклів відбувається різке зменшення коефіцієнта втрат псевдопружного NiTi сплаву. В подальшому тенденція до зменшення залишається, проте це відбувається більш поступово аж до зруйнування зразка. Фрактографічним аналізом показано, що асиметрія циклу навантаження впливає на кількість зародків втомних тріщин та рельєф зламів. За більшої асиметрії спостерігалось більше зародків тріщин та збільшення розкриття їх берегів, що узгоджується з механічними випробуваннями, які показали вищий рівень дисипованої енергії за меншого коефіцієнта асиметрії. Встановлено, що із збільшенням Rσ від 0,1 до 0,5 втомна довговічність NiTi сплаву значно збільшується в межах 1900-12500 циклів навантаження. За найменшого значення максимального напруження 450 МПа зміна коефіцієнту асиметрії циклу навантаження від 0,1 до 0,5 практично не впливає на втомну довговічність. А при σmax = 550 МПа та 500 МПа втомна довговічність, за Rσ = 0,5, більша у 5,4 та 4,2 рази відповідно, порівняно із Rσ = 0,1. Аналогічно із максимальними напруженнями, із збільшенням розмаху напружень, втомна довговічність псевдопружного NiTi сплаву зменшується за обох коефіцієнтів асиметрії навантаження. У четвертому розділі на основі визначених параметрів у розділі 3, а саме температур фазових перетворень, механічних, функціональних та конструкційних властивостей сплаву, виготовлена залізобетонна балка із використання вставки із псевдопружного СПФ та без неї. В процесі виготовлення балки із СПФ вставкою вирішено проблематику з'єднання елемента СПФ, у вигляді прутка діаметром 8 мм із робочою арматурою 12 мм в діаметрі, шляхом використання металевої муфти та двокомпонентного епоксидного клею. Експериментальні дослідження показали, що руйнування ЗББ відбувається при значенні прогину 7,3 мм, а в ЗББ-СПФ при – 20,3 мм, що підвищує деформівність конструкції у 2,8 разів, у порівнянні із залізобетонною балкою з арматурою 600С. Встановлено, що використання СПФ у конструкціях впливає на характер їх руйнування, а саме змінює різке крихке руйнування ЗББ на повільне пластичне руйнування ЗББ-СПФ. У п’ятому розділі розроблено модельний зразок нітинолу та проведено верифікацію його поведінки із результатами експериментальних досліджень, описаних у розділі Помилка! Джерело посилання не знайдено.Загальна форма петель гістерезису та ключові точки деформації добре узгоджуються з моделлю, що свідчить про адекватність моделі нітинолу для прогнозування поведінки елементів конструкцій за малоциклових навантажень. Розроблено тривимірні моделі залізобетонних балок зі СПФ-вставкою та без неї. Проведено верифікацію отриманих результатів моделювання із результатами натурних випробувань. Похибка для залізобетонної балки без СПФ-прутка становить 5,64%, а похибка для залізобетонної балки із СПФ-вставкою – 3,25%. Визначено, що СПФ-вставка із прутка діаметром меншим у 1,5 рази від діаметру робочої арматури, спричиняє збільшення значень максимальних напружень у конструкції в 4, 9 та 5 разів на 4-му, 7-му та 10-му циклах навантаження.Моделювання підтверджує підвищення деформівних властивостей елементів конструкцій за циклічних навантажень шляхом застосування сплавів із пам’яттю форми. Розроблено рекомендацій щодо впровадження СПФ-прутків у елементи конструкцій для підвищення деформівних властивостей за циклічних навантажень.

Bykiv N.Z. Increasing the deformability of structural elements under cyclic loads by using shape memory alloys - Qualification scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation for the Philosophy Doctor degree in the field of knowledge 13 "Mechanical Engineering", speciality 131 "Applied Mechanics." - Ternopil National Technical University, Ternopil, 2024. This work is devoted to solving an urgent scientific and technical problem, namely, increasing the deformability of structural elements under cyclic loads by using shape memory alloys (SMA). A set of methods has been developed to study the effect of stress ratio on the functional properties and mechanical fatigue of SMA using force, deformation, and energy parameters. The influence of stress ratio on the functional and structural properties of SMA is investigated. Considering the determined phase transformation temperatures, mechanical properties, and functional and structural properties of the SMA, a reinforced concrete beam was manufactured using an insertion of pseudoelastic SMA. Experimental studies of the beams have shown that the beam with a pseudoelastic SMA insertion has increased deformability compared to a conventional reinforced concrete beam under low-cycle loads. In the process of manufacturing the beam with the SMA insertion, the problem of connecting the SMA element in the form of an 8 mm diameter bar with a 12 mm diameter working reinforcement was solved. Using the finite element method, the behaviour of beams, including those with a pseudoelastic SMA insertion, under cyclic loading was modelled in ANSYS software using the finite element method. Accurate data on the distribution of stresses and strains in the beams were obtained, confirming the increase in deformability and durability of structures using SMA under cyclic loads. The work consists of five chapters in which the main results of the dissertation are presented and substantiated.The introduction substantiates the study's relevance, provides the connection of the work with the research topic, sets the goal, defines the study's objectives and the object and subject of the study, and provides a list of research methods used to achieve the goal of the dissertation. The scientific novelty, practical significance of the results and personal creative contribution of the applicant are formulated. Information on the testing and publication of research results is provided. The first section presents the crystal structure of SMA, which is responsible for the unique properties, namely the effects of pseudoplasticity and shape memory. A literature review on using SMA in structures to increase stability under dynamic loads is carried out. Based on the review, the purpose and objectives of the study are formulated. The second section describes the methods of studying SMA mechanical and functional properties, which are necessary for further analysis and creation of experimental and model specimens. The mechanical properties of the pseudoelastic SMA were determined according to ASTM F2516-14 using a servo-hydraulic machine STM-100. The phase transformation temperatures were determined by differential scanning calorimetry using a NETZSCH DSC 214 Polyma calorimeter. The paper presents an experimental method for determining the mechanical fatigue and functional properties of pseudoelastic SMA on a universal testing machine STM-100 at room temperature, using an extensometer and an inductive sensor to measure deformation and displacement. Particular attention was paid to studying nitinol fatigue fracture resistance under cyclic loads with different stress ratios. The paper presents a methodology for modelling the mechanical behaviour and damping properties of both the reinforced concrete beam and reinforced concrete beam with shape memory alloy in the ANSYS 2024 R1 software package. The third section presents the results of experimental studies of the effect of cyclic loading on the mechanical behaviour and functional properties of pseudoelastic NiTi SMA, considering the stress ratio and the fractographic features of their deformation and fracture.The results showed that an increase in the stress ratio from 0.1 to 0.5 worsens the material's functional properties, namely, reduces the dissipation energy. At the same value of the maximum stress of the NiTi alloy, the dissipation energy in the stabilisation zone at Rσ = 0.1 is approximately three times higher at σmax = 450 MPa than at Rσ = 0.5. Moreover, with an increase in the maximum stress, this difference increases, and at σmax = 550 MPa with a stress ratio of 0.1, the dissipation energy is 4.2 times higher than at Rσ = 0.5. It has been established that at the initial stage of loading, during the first 10 cycles, there is a sharp decrease in the loss factor of the pseudoelastic NiTi alloy. Subsequently, the tendency to decrease remains but occurs more gradually until the sample is destroyed. The fractographic analysis showed that the stress ratio affects the number of fatigue crack nuclei and fracture relief. At higher stress ratios, more crack initiation and increased crack tip opening were observed, which is consistent with mechanical tests that showed a higher level of dissipated energy at lower stress ratios. It has been established that with an increase in Rσ from 0.1 to 0.5, the fatigue life of the NiTi alloy increases significantly within 1900-12500 load cycles. At the lowest value of the maximum stress of 450 MPa, a change in the stress ratio from 0.1 to 0.5 has virtually no effect on fatigue life. And at σmax = 550 MPa and 500 MPa, the fatigue life, with Rσ = 0.5, is 5.4 and 4.2 times higher, respectively, compared to Rσ = 0.1. Similarly to the maximum stresses, with an increase in the stress range, the fatigue life of the pseudoelastic NiTi alloy decreases at both load asymmetry ratios. In Chapter 4, based on the parameters determined in Chapter 3, namely phase transformation temperatures and mechanical, functional, and structural properties of the alloy, a reinforced concrete beam was manufactured with and without a pseudoelastic SMA insertion. In the process of manufacturing the beam with the SMA insertion, the problem of connecting the SMA element, in the form of an 8 mm diameter bar with a 12 mm diameter working reinforcement, was solved by using a metal coupling and a two-component epoxy adhesive. Experimental studies have shown that the destruction of reinforced concrete beams occurs at a deflection value of 7.3 mm, and in reinforced concrete beam with shape memory alloy at 20.3 mm, which increases the deformability of the structure by 2.8 times, compared to a reinforced concrete beam with 600C reinforcement. It has been established that the use of SMA in structures affects the nature of their destruction, namely, changes the sharp brittle fracture of reinforced concrete to the slow plastic fracture of reinforced concrete beam with shape memory alloy. In Chapter 5, we developed a model specimen of nitinol and verified its behaviour with the results of the experimental studies described in Section Помилка! Джерело посилання не знайдено.The general shape of the hysteresis loops and key deformation points agree with the model, which indicates that the nitinol model is adequate for predicting the behaviour of structural elements under low-cycle loads. Three-dimensional models of reinforced concrete beams with and without SMA insertion were developed. The obtained modelling results were verified with the results of field tests. The error for a reinforced concrete beam without an SMA rod is 5.64%, and that for a reinforced concrete beam with an SMA insertion is 3.25%. It has been determined that an SMA insertion made of a bar with a diameter less than 1.5 times the diameter of the working reinforcement causes an increase in the maximum stresses in the structure by 4, 9, and 5 times at the 4th, 7th, and 10th loading cycles. The modelling confirms that the deformation properties of structural elements under cyclic loads can be improved using shape memory alloys. Recommendations for introducing SMA rods into structural elements to improve deformation properties under cyclic loads have been developed.