При термомеханических воздействиях сплав на основе никелида титана претерпевает фазовый переход. При этом обнаруживаются удивительные механические свойства материала. В первую очередь это эффект сверхэластичности, когда материал способен деформироваться нелинейно до 10 процентов относительного удлинения с полным восстановлением деформаций после разгрузки. Механическое поведение сплава при сверхэластичности характеризуется кривой гистерезиса. Второе интересное свойство сплава - это проявление эффекта памяти формы, заключающееся в полном восстановлении первоначальной формы после деформации и температурного воздействия. Этот эффект может быть инициализирован механическим и тепловыми нагрузками. Заключается в изменении кристаллической структуры при переходе материала из аустенитной фазы в мартенситную и обратно. Требуется подобрать математическую постановку в континуальном подходе, которая в точности способна описать эффект памяти формы при термомеханическом воздействии. В технических приложениях на этом эффекте основана работа некоторых линейных приводов, в которых в качестве исполнительного механизма служит пружина из никелида титана. В зависимости от конструктивных параметров пружины происходит перемещение вдоль главной оси с определенным усилием за счет изменения ее температуры и фазовых переходов. Необходимо оценить напряженно- деформированное состояние привода при эксплуатационных температурах и нагрузках. Провести оценку сеточной сходимости, верифицировать модель путем сравнения результатов с результатами существующих тестовых задач.
Целью квалификационной работы бакалавра является создание физико- математическую постановку для решения задачи об определении напряженно- деформированного состояния исполнительного механизма, изготовленного из сплава на основе никелида титана, с учетом эффекта памяти формы при термомеханической нагрузке.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Подготовить аналитический обзор по тематике исследований, сделать акцент на глубокое изучение свойств никелида титана, эффекта сверхэластичности, памяти формы, фазовых переходов, изучить опыт моделирования НДС.
2. Изучить принципы моделирования напряженно-деформированного состояния изделий в программном комплексе Ansys применительно к моделированию механического поведения изделий из никелида титана.
3. Освоить методики твердотельного моделирования в специализированных программах и передачи моделей в сторонние программные комплексы в нейтральных форматах, создать геометрическую модель образца в виде пружины из никелида титана, пригодную для анализа методом конечных элементов.
4. Провести серию вычислительных экспериментов для верификации созданной физико-математической модели, провести анализ сеточной сходимости и сравнительный анализ результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными.
В работе была разработана адекватная физико-математическая модель для определения функциональных свойств исполнительного механизма - пружинного линейного привода из сплава никелида титана при термомеханических нагрузках. Модель учитывает эффект памяти формы при действии механических и температурных воздействий, реализующегося за счет фазового перехода сплава из аустенитного состояния в мартенсит и обратно. Моделью учтены особенности сверхэластичного поведения, возникающего в никелиде титана при нагрузке и разгрузке при больших степенях деформации.
Используемая в работе физико-математическая модель включает определяющие уравнения с семью материальными константами. Для этого были определены свойства материала из экспериментальных диаграмм деформирования при растяжении образов из используемого сплава при температурах проведения эксперимента равных температурам окончания формирования аустенита и мартенсита.
Задача о деформировании пружинного привода при воздействии температуры и механических нагрузок решалась в двух пространственных приближениях - одномерном с использованием балочных конечных элементов и трехмерном с использованием твердотельных конечных элементов в виде гексаэдров. Показана возможность решения поставленной задачи в обеих постановках, определены отличительные особенности подготовки геометрической модели, влияние идеализации на результат и время решения.
В результате определены функциональные возможности пружинного привода из никелида титана при термодеформационом воздействии. Установлены значения перемещений привода за счет реализации эффекта памяти формы при действующем усилии в указанном диапазоне температур, (максимальное смещение составляет 44,8 мм в балочной модели и 42,8 в твердотельном элементе, что больше исходной длины на 16,8 мм и 14,8.)
