Design of mechanical elements made of shape memory alloys?
Dimensionnement d'éléments simples en alliage à mémoire de forme
Résumé
Shape memory properties were first observed in metals more than fifty years ago. The metals exhibiting these properties (superelasticity, one and two way memory effects, ...) are called Shape Memory Alloys (SMA). Despite the potentiality of these alloys and the amount of patents, successful industrial and commercial applications remain exceptions. This can be explained by the lack of design tools able to dimension correctly SMA elements. Even if a lot of study were conducted to describe the behavior of SMA, very few work have been done considering these alloys as mechanical elements where the stress distribution is in many cases, inhomogeneous. In this work, structure calculations are performed with these materials; At first a modeling of the behavior of SMA is developed. This inelastic behavior depends strongly on the temperature and exhibits an hysteresis. The non symmetry between tensile and compressive tests observed experimentally is also taken into account through the definition of a non symmetric transformation criterion. From this criterion, an associated flow rule is obtained to describe the SMA behavior. Hysteretic effects are accounted introducing a kinematical hardening parameter. Considering the geometry of the most common elements made of SMA, structure calculation is performed into the framework of beam theory. To determine the response of SMA structures, an incremental formulation of Bresse integrals is used taking account of the coexistence of transforming zones and elastic ones during the loading and the unloading process. The results obtained by this way are successfully compared with experimental ones performed on superelastic springs and beams made of copper based SMA. Material parameters required for the computation are experimentally determined using tensile test and calorimetric measurements. An extension to thermomechanical loading also presented in this study
Les propriétés d'effets mémoire dans les métaux ont été observées pour la première fois il y a maintenant plus de cinquante ans. Les métaux présentant ces caractéristiques (superélasticité, effet mémoire simple ou double,) sont appelés alliages à mémoire de forme (AMF). Malgré les potentialités d'applications de ces alliages et le grand nombre de brevets déposés à ce jour, les succès industriels et commerciaux restent peu nombreux. Ceci s'explique en grande partie par le fait qu'il n'existe pas d'outils de conception permettant de dimensionner correctement des éléments en AMF. De nombreux travaux ont été menés afin de décrire le comportement des AMF, mais bien peu considèrent le cas des structures ou la répartition des contraintes est le plus souvent non homogène. Dans ce travail, des calculs de structures en AMF sont réalisés. Le premier point abordé est la modélisation du comportement de ces alliages. Ce comportement inélastique dépend fortement de la température et présente une hysteresis. La non symétrie observée expérimentalement entre le comportement en traction et en compression est prise en compte par l'intermédiaire d'un critère de transformation non symétrique. A partir de ce critère, une loi d'écoulement est obtenue afin de modéliser le comportement des AMF. Un paramètre d'écrouissage cinématique est introduit pour prendre en compte les effets de l'hysteresis. Les calculs de structures sont effectués dans le cadre de la théorie des poutres. La réponse des structures est obtenue à l'aide d'une formulation incrémentale des intégrales de Bresse dans laquelle on tient compte de la coexistence de zones élastiques et transformées durant les processus de charge et de décharge. Les résultats obtenus par ce biais sont comparés avec succès à des résultats expérimentaux obtenus sur des ressorts et des poutres superélastiques en alliage à base de cuivre. Les paramètres nécessaires au calcul sont déterminés à partir de résultats expérimentaux issus d'essais de traction et de calorimétrie différentielle. Une extension aux cas des chargements superthermoélastiques est également présentée dans cette étude
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
|---|
Loading...