Constitutive modelling and numerical implementation of SMA material with internal loops

• Autorzy: Zbiciak A. , Wasilewski K.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ace-2018-0053

Warianty tytułu

PL

Modelowanie konstytutywne i implementacja numeryczna materiału SMA z pętlami wewnętrznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents a constitutive model for Shape Memory Alloys (SMA) along with result of dynamic simulations of SMA model. The applications of devices incorporating SMA in civil engineering focus mostly on mitigation of the seismic hazard effects in new-build and historical buildings or improvement of fatigue resilience. The unique properties of SMA, such as shape memory effect and superelasticity give promising results for such applications. The presented model includes additional phenomenon of SMA – internal loops. The paper shows the method of formulation of physical relations of SMA based on special rheological structure, which includes modified Kepes’s model. This rheological element, introduced as dual-phase plasticity body, is given in the context of martensite phase transformation. One of the advantages of such an approach is a possibility of formulation of constitutive relationships as a set of explicit differential equations. The application of the model is demonstrated on example of dynamic simulations of three dimensional finite element subjected to dynamic excitation.

PL

Artykuł przedstawia model konstytutywny stopów z pamięcią kształtu (ang. Shape Memory Alloy – SMA) wraz z wynikami przeprowadzonej analizy dynamicznej. Zastosowanie urządzeń wykorzystujących SMA w dziedzinie inżynierii lądowej skupia się głównie na ograniczeniu skutków odziaływań sejsmicznych w nowo powstających oraz istniejących budynkach, w tym w obiektach historycznych. Odrębnym zagadnieniem, w którym także wykorzystywane są urządzenia z SMA, jest poprawienie trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcyjnych. W artykule przedstawiono wybrane możliwości zastosowania urządzeń z SMA w budownictwie. Wykorzystanie SMA do powyższych celów jest możliwe dzięki ich wyjątkowym właściwościom – efektowi pamięci kształtu oraz pseudosprężystości. Prezentowany model konstytutywny uwzględnia także dodatkową właściwość SMA jaką są wewnętrzne pętle histerezy. W artykule przedstawiono metodę formułowania zależności fizycznych SMA na specjalnych strukturach reologicznych wykorzystujących zmodyfikowany model Kepesa (tzw. ciało z dwufazową plastycznością). Definicję tego elementu reologicznego przedstawiono na tle makroskopowego opisu przemian fazowych zachodzących w SMA. Jedną z zalet prezentowanego w artykule podejścia do formułowania zależności fizycznych jest uzyskanie zależności konstytutywnych w postaci jawnych równań różniczkowych. Zastosowanie prezentowanego modelu zostało przedstawione na przykładzie analizy dynamicznej trójwymiarowego elementu skończonego poddanego dynamicznemu wymuszeniu.

Słowa kluczowe

EN

shape memory alloys; SMA; rheological model; dynamic simulation

PL

stopy z pamięcią kształtu; SMA; model reologiczny; symulacja dynamiczna

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 64, nr 4/I
• Strony: 211--232
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., il.

Twórcy

autor

Zbiciak A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Wasilewski K.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1 J. Mohd Jani, M. Leary, A. Subic, M.A. Gibson, A review of shape memory alloy research, applications and opportunities, Materials and Design. 56 (2014) 1078-1113.
• 2 Y. Chang, Wenn-Shao; Araki, Use of shape-memory alloys in construction: a critical review, Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Civil Engineering. 169 (2016) 87-95.
• 3 W. Terlikowski, Interdisciplinary diagnostics in the process of revitalization of historic buildings, in terms of changing their function, MATEC Web of Conferences. 117 (2017) 00165.
• 4 K. Wasilewski, A. Zbiciak, Proposal of a new constitutive model for SMA with internal loops, in: F.M. Mazzolani (Ed.), 3rd International Conference on Protection of Historical Constructions, Lisbon, 2017: pp. 129-130.
• 5 C. Menna, F. Auricchio, D. Asprone, Applications of Shape Memory Alloys in Structural Engineering, Elsevier Ltd, 2015.
• 6 F. Auricchio, D. Fugazza* , R. Desroches, Earthquake Performance of Steel Frames With Nitinol Braces, Journal of Earthquake Engineering. 10 (2006) 45-66.
• 7 H. Tamai, Y. Kitagawa, Pseudoelastic behavior of shape memory alloy wire and its application to seismic resistance member for building, Computational Materials Science. 25 (2002) 218-227.
• 8 K. Wilde, P. Gardoni, Y. Fujino, Base isolation system with shape memory alloy device for elevated highway bridges, Engineering Structures. 22 (2000).
• 9 E. Choi, T.H. Nam, J.T. Oh, B.S. Cho, An isolation bearing for highway bridges using shape memory alloys, Materials Science and Engineering A. 438-440 (2006) 1081-084.
• 10 S. Das, S.K. Mishra, Optimal performance of buildings isolated by Shape-Memory-Alloy-Rubber- Bearing (SMARB) under random earthquakes, International Journal of Computational Methods in Engineering Science and Mechanics. 15 (2014) 265-276.
• 11 M.G. Castellano, M. Indirli, A. Martelli, Progress of application, research and development, and design guidelines for shape memory alloy devices for cultural heritage structures in Italy, in: Smart Structures and Materials 2001: Smart Systems for Bridges, Structures, and Highways, 2001: pp. 250-261.
• 12 M. Indirli, M.G. Castellano, Shape Memory Alloy Devices for the Structural Improvement of Masonry Heritage Structures, International Journal of Architectural Heritage. 2 (2008) 93-119.
• 13 F.M. Mazzolani, A. Mandara, Modern trends in the use of special metals for the improvement of historical and monumental structures, Engineering Structures. 24 (2002) 843-856.
• 14 M. Indirli, M.G. Castellano, P. Clemente, A. Martelli, Demo-application of shape memory alloy devices: The rehabilitation of the S. Giorgio Church Bell-Tower, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 4330 (2001) 262-272.
• 15 M.G. Castellano, Seismic protection of monuments by shape memory alloy devices and shock transmitters, (2005) 1229-1234.
• 16 V. Torra, C. Auguet, A. Isalgue, G. Carreras, P. Terriault, F.C. Lovey, Built in dampers for stayed cables in bridges via SMA. The SMARTeR-ESF project: A mesoscopic and macroscopic experimental analysis with numerical simulations, Engineering Structures. 49 (2013) 43-57.
• 17 L. Dieng, G. Helbert, S.A. Chirani, T. Lecompte, P. Pilvin, Use of shape memory alloys damper device to mitigate vibration amplitudes of bridge cables, Engineering Structures. 56 (2013) 1547-1556.
• 18 A. Zbiciak, R. Michalczyk, R. Oleszek, Vibration reduction of cable-stayed bridge model retrofitted with SMA restrainers, Vibroengineering PROCEDIA. 3 (2014) 180-185.
• 19 P. Soroushian, K. Ostowari, A. Nossoni, H. Chowdhury, Repair and Strengthening of Concrete Structures Through Application of Corrective Posttensioning Forces with Shape Memory Alloys, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 1770 (2001) 20-26.
• 20 M.A. Savi, A. Paiva, Describing internal subloops due to incomplete phase transformations in shape memory alloys, Archive of Applied Mechanics. 74 (2005) 637-647.
• 21 A. Ziółkowski, Pseudosprężystość stopów z pamięcią kształtu badania doświadczalne i opis teoretyczny, Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN. 6 (2006) 200.
• 22 B. Peultier, T. Ben Zineb, E. Patoor, Macroscopic constitutive law of shape memory alloy thermomechanical behaviour. Application to structure computation by FEM, Mechanics of Materials. 38 (2006) 510-524.
• 23 A. Masud, K. Xia, A variational multiscale method for inelasticity: Application to superelasticity in shape memory alloys, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 195 (2006) 4512-4531.
• 24 W. Grzesikiewicz, A. Zbiciak, Constitutive modelling of pseudoelastic material using Kepes-type rheological element, Computer Systems Aided Science and Engineering Work in Transport, Mechanics and Electrical Engineering. 122 (2008) 159-164.
• 25 N.S. Ottosen, M. Ristinmaa, The mechanics of constitutive modeling, Elsevier, 2005.
• 26 F. Auricchio, E. Sacco, A one-dimensional model for superelastic shape-memory alloys with different elastic properties between austenite and martensite, International Journal of Non-Linear Mechanics. 32 (1997) 1101-1114.
• 27 ABAQUS Analysis User’s Manual, Ver. 6.12, Dassault Systèmes, 2012.
• 28 W. Grzesikiewicz, A. Wakulicz, A. Zbiciak, Mathematical modelling of rate-independent pseudoelastic SMA material, International Journal of Non-Linear Mechanics. 46 (2011) 870-876.
• 29 W. Grzesikiewicz, A. Zbiciak, Mathematical modelling of rate-dependent SMA material subjected to dynamic loads, in: Proceedings of 15th French-Polish Seminar of Mechanics, Polytech’Lille, Villeneuve d’Ascq, France, 2007: pp. 138-143.
• 30 A. Zbiciak, Dynamic analysis of pseudoelastic SMA beam, International Journal of Mechanical Sciences. 52 (2010) 56-64.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).