Численное моделирование процесса предварительного деформирования толстостенной муфты из сплава с памятью формы


Авторы

Шарунов А. В.

ПАО «ОАК» – ОКБ Сухого, ул. Поликарпова, д. 23А, а/я 483, Москва, 125284, Россия

e-mail: aleksej-sharunov@yandex.ru

Аннотация

Работа посвящена численному моделированию процесса предварительного деформирования (раздача – увеличение внутреннего радиуса) толстостенной цилиндрической муфты из сплава с памятью формы (СПФ) постоянным давлением в процессе прямого термоупругого фазового превращения. В рамках задачи рассматривается процесс накопление, упругих, фазовых и структурных деформаций при охлаждении муфты из СПФ через интервал температур прямого мартенситного превращения.

В рамках работы был произведен процесс интеграции модели нелинейного деформирования при фазвых и структурных превращениях в конечно – элементный комплекс Simulia AbaQus посредствам процедуры создания пользовательского материала по технологии UMAT и явного определения касательной матрицы жесткости. Процесс предварительного деформирования толстостенной цилиндрической муфты из СПФ рассматривается в однократно связной термомеханической постановке, с учетом влияния действующего напряжения на величины температур фазового перехода.

В работе показано влияние учета структурного перехода в процессе прямого термоупругого фазового перехода для двух типов граничных условий. Достоверность результатов работы подтверждена валидацией разработанных программных модулей по результатам натурных испытаний элементарных образцов на базе системы Ni-Ti и верификацией по известным аналитическим решениям краевых задач механики СПФ.

Результаты представленные в работе, могут быть использованы при проектировании термомеханических соеденительных муфт из СПФ.

Ключевые слова:

сплавы с памятью формы, Simulia AbaQus, толстостенная цилиндрическая муфта, термоупругий фазовый переход, структурные деформации, фазовые деформации

Библиографический список

  1. Балунов К.А., Соляев Ю.О., Голубкин К.С. Применение метода топологической оптимизации для синтеза конструктивно-силовой схемы в зоне излома крыла большого удлинения // Труды МАИ. 2023. № 129. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=173004. DOI: 10.34759/trd-2023-129-04

  2. Шарунов А.В. Сравнение различных способов увеличения внутреннего радиуса толстостенной цилиндрической муфты из сплава с памятью форм // Труды МАИ. 2023. № 133. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=177659

  3. Халов М.О. Перспективы применения сплавов с памятью на основе никелида титана в устройствах аэрокосмического назначения // Труды МАИ. 2012. № 55. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=30132

  4. Климов А.К., Климов Д.А., Низовцев В.Е., Ухов П.А. Эффективность применения наноструктурных композиционных материалов и изделий из них в авиационной промышленности // Труды МАИ. 2013. № 67. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=41486

  5. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. – Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1987. - 216 с.

  6. Kapgan M., Melton K. Shape memory alloy tube and pipe couplings // Proceedings of Engineering Aspects of Shape Memory Alloys, London, 1990, pp. 137-148.

  7. Tabesh M., Atli K., Rohmer J., Franco B., Karaman I., Boyd J., Lagoudas D. Design of shape memory alloy pipe couplers: modeling and experiments // Proceedings of SPIE 8343, Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies, San Diego, 2012, pp. 18. DOI: 10.1117/12.915361

  8. Aerofit, Inc APT Laboratory, 1968-2004. URL: www.aerofit.com

  9. Лихачев В.А., Шиманский С.Р. Влияние состава композиции TiNiNb на ее свойства и работоспособность. – Л., 1984. Деп. в ВИНИТИ 10.12.84, № 7865-84.

  10. Удовенко В.А., Потапов П.Л., Прокошкин С.Д. и др. Исследование функциональных свойств сплава Ti–45 % Ni–10 % Nb с широким гистерезисом мартенситного превращения // Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. № 9. С. 19–22.

  11. Абрамов В.Я., Александрова Н.М., Боровков Д.В. и др. Структура и функциональные свойства термически и термомеханически обработанных сплавов на основе Ti–Ni–Nb с широким мартенситным гистерезисом. I. Тройные сплавы Ti–Ni–Nb // Физика металлов и металловедение. 2006. № 4 (101). С. 436–446.

  12. Попов Н.Н., Прокошкин С.Д., Сидоркин М.Ю. и др. Исследование влияния термомеханической обработки на структуру и функциональные свойства сплава 45Ti–45Ni–10Nb // Металлы. 2007. № 1. С. 71–77.

  13. Попов Н.Н., Сысоева Т.И., Прокошкин С.Д. и др. Исследование механических свойств и реактивных напряжений сплавов с памятью формы системы Ti–Ni–Nb // Металлы. 2007. № 4. С. 62–70.

  14. Попов Н.Н., Аушев А.А., Сысоева Т.И. и др. Исследования структуры, элементного, фазового составов и кинетики фазовых превращений в сплавах с памятью формы системы Ti–Ni–Nb // Металлы. 2012. № 4. С. 97–105.

  15. Попов Н.Н., Ларькин В.Ф., Пресняков Д.В. и др. Исследование термомеханических характеристик сплавов системы Ti–Ni–Nb с памятью формы и влияния термической обработки на них // Физика металлов и металловедение. 2013. № 4 (114). С. 380–390.

  16. Шарунов А.В. Решение задачи о нагружении тонкостенных сферы и цилиндра из сплава с памятью формы, с учетом разносопротивляемости материала в режиме мартенситной неупругости // Механика композиционных материалов и конструкций. 2020. Т. 26. № 2. С. 174-189.

  17. Машихин А.Б., Мовчан А.А. Задача о прямом мартенситном превращении в толстостенном цилиндре из сплава с памятью формы // Известия РАН. Механика твердого тела. 2016. № 3. С. 100-114.

  18. Машихин А.Е., Мовчан А.А. Краевые задачи термомеханики для цилиндра и сферы из сплава с памятью формы // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 3. С. 113-128.

  19. Мовчан А.А., Казарина С.А., Сильченко А.Л. Экспериментальная идентификация модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы при фазовых и структурных превращениях // Деформация и разрушение материалов. 2018. № 12. С. 2-11.

  20. Wu D., Sun G., Wu J. The nonlinear relationship between transformation strain and applied stress for nitinol // Materials Letters, 2003, vol. 57, № 7, pp. 1334-1338. DOI: 10.1016/S0167-577X(02)00983-7

  21. Nushtaev D.V., Zhavoronok S.I. Abnormal buckling of thin-walled bodies with shape memory effects under thermally induced phase transitions / In: Recent Developments in the Theory of Shells. Advanced Structured Materials, Berlin, Springer, 2019, vol. 110, pp. 227-250. DOI: 10.1007/978-3-030-17747-8_26

  22. Ruiz-Pinilla J., Montoya-Coronado L., Ribas C., Cladera A. Finite element modeling of RC beams externally strengthened with iron-based shape memory alloy (Fe-SMA) strips, including analytical stress-strain curves for Fe-SMA // Engineering Structures, 2020, vol. 223, no. 15. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111152

  23. Porenta L., Lavrencic M., Dujc J., Brojan M., Tusek J. Modeling large deformations of thin-walled SMA Structures by shell finite elements // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2021, vol. 101, no. 55. DOI: 10.1016/j.cnsns.2021.105897

  24. Ho H., Choi E., Park S. Investigating stress distribution of crimped SMA fibers during pullout behavior using experimental testing and a finite element model // Composite Structures, 2021, vol. 272. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.114254

  25. Xolin P., Collard C., Engels-Deutsch M., Zineb T. Finite element and experimental structural analysis of endodontic rotary file made of Cu-based single crystal SMA considering a micromechanical behavior model // International Journal of Solids Structures, 2021, vol. 221. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2021.01.015

  26. Мовчан А.А., Мовчан И.А., Сильченко Л.Г. Микромеханическая модель нелинейного деформирования сплавов с памятью формы при фазовых и структурных превращениях // Известия РАН. Механика твердого тела. 2010. № 3. С. 118–130.

  27. Мовчан А.А., Сильченко Л.Г., Сильченко Т.Л. Учет явления мартенситной неупругости при обратном фазовом превращении в сплавах с памятью формы // Известия РАН. Механика твердого тела. 2011. № 2. С. 44–56.

  28. Мишустин И.В., Мовчан А.А. Моделирование фазовых и структурных превращений в сплавах с памятью формы, происходящих под действием немонотонно меняющихся напряжений // Известия РАН. Механика твердого тела. 2014. № 1. С. 37–53.

  29. Мишустин И.В., Мовчан А.А. Аналог теории пластического течения для описания деформации мартенситной неупругости в сплавах с памятью формы // Известия РАН. Механика твердого тела. 2015. № 2. С. 78–95.

  30. Золочевский А.А., Беккер А.А. Введение в ABAQUS. – Харьков: Гарант, 2011. – 49 с.

  31. Мовчан А.А. Определяющие соотношения модели нелинейного деформирования сплавов с памятью формы, разрешенные относительно приращений напряжений // Механика композиционных материалов и конструкций. 2021. Т. 27. № 3. С. 343-359.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход