Моделирование процессов фазово-структурных переходов в сплавах с памятью формы

[ConcursusMMX 4]

Моделирование процессов фазово-структурных переходов в сплавах с памятью формы.

В связи с расширением области практического применения СПФ и созданием изделий сложной геометрической конфигурации, возникает потребность в конечно-элементном моделировании процессов фазово-структурных переходов, протекающих в СПФ. Исходя из этого, целью данной работы являлось создание алгоритма конечно-элементного моделирования поведения СПФ и сравнительный анализ полученных результатов с результатами экспериментальных исследований.

В результате работы была получена численная реализация термомеханической модели поведения СПФ на основе программного комплекса SIMULIA Abaqus.

Проведено решение ряда тестовых задач, описывающих основные явления протекающие в СПФ при фазово-структурных превращениях. Данные тестовые задачи будут отличаться друг от друга только величиной действующей механической нагрузки и видом температурного воздействия. Конечно-элементная модель, способ приложения механической нагрузки и граничные условия будут одинаковы для всех расчётных случаев. Для возможности адекватной интерпретации полученных результатов расчёта, была выбрана максимально простая геометрия модели – куб со стороной 1 см.. Конечно-элементная модель состоит из 2-х объемных восьмиузловых элементов типа SOLID (C3D8). К узлам 1, 2, 7, 8 прикладываются сосредоточенная сила Fz.

Граничные условия:

1. На узлы 5, 6, 11, 12 накладываются ограничения по перемещениям в направлении оси Оz.

2. На узел 6 накладывается ограничение по перемещениям в направление осей Оx и Оy.

3. Для исключения возможности вращения модели относительно оси Oz, на узел 5 накладывается ограничение в направлении оси Ох.

В качестве расчётного материала, для всех расчетных случаев, выступает равноамтомный никелид титана (NiTi).

Описание расчётных случаев:

1. Моделирование сверхупругого поведения СПФ (Т > )

Сплав находится в начальном аустенитном состоянии и подвергается одноосному растяжению до полной реализации прямого превращения. Далее происходит разгрузка модели, сопровождаемая обратным превращением. Температура модели постоянна (Т=350 К).

2. Моделирование сверхупругого поведения материала ( < T < )

В данном расчетном случае будет реализован смешанный механизм протекания фазово-структурных превращений. В начальном состоянии, модель находится в аустенитной фазе и подвергается одноосному растяжению до полной реализации прямого превращения. Температура модели Т = 330 К. Далее происходит постепенное снятие действующей нагрузки с последующим нагревом до температуры Т = 350 К. При данном случае нагружения, прямое превращение будет протекать за счёт действующих в модели напряжений, а обратное происходить в два этапа:

1. Начальный этап обратного превращения обусловлен снятием действующей на модель нагрузки. Так как текущая температура модели Т=330 К ( < T < ), материал не может только за счёт снятия напряжений полностью перейти в аустенитную фазу. В модели образуется устойчивая смешанная фаза мартенсит – аустенит.

2. Для завершения обратного фазового превращения, происходит нагрев модели до Т=350 К (Т > ). На этапе нагрева наблюдается температурный механизм фазовых превращений.

3. Моделирование фазово-структурных переходов, обусловленных изменением температуры

В данной тестовой задаче раскрываются основные возможности моделирования фазово-структурных превращений, обусловленных температурными воздействиями. В начальный момент материал находится в аустенитной фазе при температуре Т=350 К. Модель подвергается одноосному растяжению силой Fz=2 КН, которая не приводит к началу прямого превращения, обусловленного механическими напряжениями. Данная сила на всем протяжении расчета останется постоянной. От значения температуры модели Т=350 К, происходит охлаждение до температуры Т=270 К (Т < ). При охлаждении произойдёт прямое фазовое превращении. Далее производится нагрев до Т=350 К, а вследствие этого – обратное превращение.

4. Сравнение результатов с экспериментальными данными

Для оценки достоверности результатов численного моделирования проведено сравнение решений тестовых задач с имеющимися экспериментальными данными для прямого мартенситного превращения.

Упругие составляющие диаграмм при всех уровнях напряжений и видах аппроксимирующих функций полностью совпали с результатами эксперимента. Одинаковы получились и значения максимальной фазово-структурной деформации. Поэтому, в случае если конструкция не работает в смешанной фазе аустенит-мартенсит и не важен сам путь прохождения фазовых превращений, все три аппроксимирующие функции могут быть использованы при конечно-элементном моделировании.

Разногласия между экспериментальными данными и результатами численного моделирования наблюдаются на стадии прямого превращения. Наилучшая сходимость наблюдается при использовании аппроксимирующей функции Liang and Rogers, которая при небольших напряжениях (50 MPa) даёт практически полное совпадение полученных результатов расчёта с экспериментальными данными. Следовательно, при моделировании прикладных задач, в которых важен сам характер протекания фазовых превращений, либо работа конструкции происходит в смешанной фазе аустенит-мартенсит, необходимо использовать функцию Liang and Rogers, так как она наиболее качественно описывает деформированное состояние СПФ при фазово-структурных переходах.

Анализ результатов

На основании провёдённых тестовых расчётов можно сделать вывод о том, что данная модель достоверно описывает большинство термомеханических свойств сплавов с памятью формы. Но существует ряд ограничений, которые существенно уменьшают спектр решаемых задач.

Ограничения модели:

1. Данная модель реализована в односвязной поставке. Протекание фазовых переходов зависит от напряжений, действующих в модели, и заданного поля температур. Известно, что при фазовых переходах происходит поглощение-выделение тепловой энергии, то есть, в рамках данной модели, нужно производить более точное описание поля температур. Для этого потребуется провести ряд достаточно сложных экспериментов по нахождению изменения температуры модели, связанного с фазовыми переходами. Максимальная сходимость с экспериментальными данными будет наблюдаться при проведении эксперимента в среде с хорошим теплоотводом (антифризом). Это необходимо для подержания заданного температурного диапазона.

2. Модель недостаточно полно описывает влияние напряжений на температуры начала и окончания фазовых превращений. Экспериментально установлено, что вклад напряжений в температуры начала и окончания фазовых превращений различен. Следовательно, для более полного описания данного воздействия необходимо задание дополнительных констант К (по две на прямое и обратное превращение).

3. В модели отсутствует связь максимальной фазово-структурной деформации Н от величины действующих при фазовых переходах напряжений.

Одобрено ConcursusMMX 15.02.11г.

[ConcursusMMX 4]

Одобрено ConcursusMMX 15.02.11г

[Борман 2 375]

Упругие составляющие диаграмм при всех уровнях напряжений и видах аппроксимирующих функций полностью совпали с результатами эксперимента.

Уважуха. Правильное моделирование поведения материала - это важнейшая часть процесса получения правильного решения.

А вот это

Ограничения модели:

это вообще отпад. Наимегаполезнейшая информация.

Оценю позже, когда догоню окончательно что к чему.

[Konstantin308 0]

Вот это действительно серьезная работа, а не баловство с тьюториальными примерами.

Автору уважуха! Работе - отлично.

[a_schelyaev 366]

Да уж. Перечитал три раза. Работа не для широких масс. Вот если бы автор приложил бы еще примеры возможного применения того же никелида титана с простым аналогом, то тогда бы широта понимающей аудитории расширилась.

5 баллов.

[mihmih 0]

Уважаемые коллеги, кто может проконсультировать по вопросам моделирования формоизменения сплава с эффектом памяти формы в Abaqus? Пробовал что-то делать в других CAE программах - там такого и близко нету. А тут оказывается есть и как показывает данный материал - довольно близко к действительности. Мне бы очень подошли консультации в виде индивидуальных уроков (естественно на небезвоздмезной основе). Может кто-то помочь? (мой адрес poinson@inbox.ru)

[a_schelyaev 366]

Задавайте вопросы здесь или создайте отдельную тему.

Думаю будет интересно всем.