Aplicaciones de la superelasticidad en aleaciones con memoria de forma para control de vibraciones en estructuras

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Se estudia en este trabajo la posibilidad de utilizar aleaciones con memoria de forma (shape memory alloys, SMA) como amortiguadores en problemas de vibraciones mecánicas de bajas frecuencias (0-20 hz). La propiedad que se explota es el efecto superelástico, mediante el cual se pueden imprimir sobre...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Soul, Hugo
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2005
Materias:
Ingeniería mecánica
Vibraciones mecánicas
Estructuras
Pseudoelasticidad
Superelasticidad
Superelasticity
Shape memory alloys
Mechanical vibrations
Strain rate
Strain amplitude
Pseudoelasticity
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/54/1/1Soul.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description Se estudia en este trabajo la posibilidad de utilizar aleaciones con memoria de forma (shape memory alloys, SMA) como amortiguadores en problemas de vibraciones mecánicas de bajas frecuencias (0-20 hz). La propiedad que se explota es el efecto superelástico, mediante el cual se pueden imprimir sobre el material deformaciones del orden del 10%. La relación entre la deformación y la tensión indica que se trata de un proceso inelástico. No obstante, al remover la carga, el material recupera su dimensión original presentando deformaciones permanentes pequeñas o nulas en relación con otros materiales convencionales describiendo en su diagrama tensión-deformación un importante lazo de histéresis. Estas características son provocadas porque en determinadas condiciones las SMA pueden sufrir transformaciones martensíticas inducidas por tensión. Se realizan una serie de ensayos mecánicos de tensión uniaxial en alambres de NiTi con el fin de caracterizar la conducta superelástica del material. Se estudia la influencia de variables como la temperatura del medio, la velocidad y frecuencia de deformación, la amplitud máxima y la acumulación de ciclos de tensión en la capacidad disipativa del material, definida según la histéresis obtenida. Luego se realiza un estudio de los aspectos térmicos, que según lo observado, juegan un importante rol en la forma de los ciclos. Se plantea el problema desde el punto de vista del intercambio de calor generado en la transformación con el medio, y se resuelve de manera numérica. Para evaluar la performance en aplicaciones concretas se confecciona un modelo simple de la superelasticidad con el que se simula el comportamiento de alambres de SMA en una estructura de pórtico sometida a movimientos de en la base. Los resultados obtenidos verifican la posibilidad de mitigar la respuesta dinámica de la estructura. Esta situación es ratificada experimentalmente en un prototipo de la estructura diseñado y construido para la ocasión. Estos resultados concretos permiten encuadrar el uso de SMA como una técnica a tener en cuenta en control pasivo de estructuras. Se plantea la necesidad de seguir avanzando en modelos que incorporen la dependencia de la temperatura en la superelasticidad, e integrarlos en el diseño definitivo de dispositivos para protección antisísmica
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No obstante, al remover la carga, el material recupera su dimensión original presentando deformaciones permanentes pequeñas o nulas en relación con otros materiales convencionales describiendo en su diagrama tensión-deformación un importante lazo de histéresis. Estas características son provocadas porque en determinadas condiciones las SMA pueden sufrir transformaciones martensíticas inducidas por tensión. Se realizan una serie de ensayos mecánicos de tensión uniaxial en alambres de NiTi con el fin de caracterizar la conducta superelástica del material. Se estudia la influencia de variables como la temperatura del medio, la velocidad y frecuencia de deformación, la amplitud máxima y la acumulación de ciclos de tensión en la capacidad disipativa del material, definida según la histéresis obtenida. Luego se realiza un estudio de los aspectos térmicos, que según lo observado, juegan un importante rol en la forma de los ciclos. Se plantea el problema desde el punto de vista del intercambio de calor generado en la transformación con el medio, y se resuelve de manera numérica. Para evaluar la performance en aplicaciones concretas se confecciona un modelo simple de la superelasticidad con el que se simula el comportamiento de alambres de SMA en una estructura de pórtico sometida a movimientos de en la base. Los resultados obtenidos verifican la posibilidad de mitigar la respuesta dinámica de la estructura. Esta situación es ratificada experimentalmente en un prototipo de la estructura diseñado y construido para la ocasión. Estos resultados concretos permiten encuadrar el uso de SMA como una técnica a tener en cuenta en control pasivo de estructuras. Se plantea la necesidad de seguir avanzando en modelos que incorporen la dependencia de la temperatura en la superelasticidad, e integrarlos en el diseño definitivo de dispositivos para protección antisísmica In this work, the possibilities of using shape memory alloys (SMA) as passive dampers devices in mechanicals vibrations problems are studied. The property that is exploited is the superelastic effect, by wich strains of the order of 10% can be obtained. The relationship between stress and strain means that this is an inelastic process. Nevertheless when load is removed the material recoveries its original dimension, presenting zero or almost zero permanent strain relative to others common materials, describing in its stress-strain diagram an important hysteretic loop. This features occurs basically because in well suited conditions the SMA can undergo martensitic transformations induced by stress. A series of uniaxial tension tests in commercial NiTi wires are performed, in order to characterize the superelastic behavior of the material. The influence of variables as ambient temperature, strain rate, strain levels and number of tension cycles accumulated are studied paying attention to the dissipative capacity of the material defined by means of the shape of the hysteretic loop. The influence on the damping capacity of the thermal effects associated with the martensitic transformation are evaluated by performing experiments at different transformation rates. Results are rationalized in terms of a model considering the interaction between a source term (heat of transformation), heat convection to the ambient and conduction along the wire. Some numerical results are obtained and discussed. For a performance evaluation in devices applications a simplified model of superelasticity is proposed. Then, the response of an elastic frame structure endowed with SMA tensors is evaluated following the model behavior when seismic movement is imposed at the base. The obtained results verify the possibility of using SMA as kernel elements in vibration control. This conclusion is experimentally verified in a prototype of the structure specially designed and constructed for this work. These results allow us to consider the use of SMA as an interest technique for the passive control of buildings and machines. Further effort however, is needed to advance in the development of a powerful design tool for the use of SMA in damping applications in actual structures. In a first step in that direction models that consider the coupling between thermal effects and transformation behaviour should be developed 2005-06-21 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/54/1/1Soul.pdf es Soul, Hugo (2005) Aplicaciones de la superelasticidad en aleaciones con memoria de forma para control de vibraciones en estructuras / Applications of superelasticity in vibrational control. Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/54/

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