ارائه يك مدل ساختاري دوبعدي سازگار ترموديناميكي براي آلياژهاي حافظه‌دار مغناطيسي

A thermodynamically consistent two-dimensional constitutive model for magnetic shape memory alloys

آلياژهاي حافظه‌دار مغناطيسي دسته‌ي جديدي از مواد هوشمند به شمار مي‌آيند كه خواصي همچون كرنش‌هاي برگشت‌پذير بزرگ و فركانس عملكرد بالا از خود نشان مي‌دهند. اين خواص منحصر به فرد، آلياژهاي حافظه دار مغناطيسي را به عنوان گزينه‌اي مناسب در كاربردهايي همچون عملگرها، حسگرها و برداشت‌كننده‌هاي انرژي مطرح كرده است. اين مقاله يك مدل ساختاري پديده شناختي دو‌بعدي براي آلياژهاي حافظه‌دار مغناطيسي، در چارچوب ترموديناميك فرايندهاي بازگشت‌ناپذير ارائه مي‌كند. به منظور منعكس كردن پديده‌هاي ميكروسكوپيك بر روي رفتار ماكروسكوپيك ماده، تعدادي متغير داخلي مناسب معرفي شده است. در ضمن نيروي محرك بحراني براي شروع بازچيني مارتنزيتي، وابسته به تنش در نظر گرفته شده است كه دقت مدل در بارگذاري‌هاي چندمحوره را افزايش مي‌دهد. معادلات سينتيكي پيش‌فرض شده براي كسرهاي حجمي دامنه‌هاي مغناطيسي، معادلات مستقل از يكديگر براي بردارهاي يكه مغناطيس‌شوندگي و معرفي تابع حدي مناسب براي بازچيني واريانت‌هاي مارتنزيتي منجر به سادگي فرمول‌بندي مدل پيشنهادي شده‌اند. به منظور بررسي عملكرد مدل پيشنهادي در پيش‌بيني رفتار آلياژهاي حافظه دار مغناطيسي چند مثال عددي حل و با داده‌هاي تجربي موجود و همچنين با مدل‌هاي ساختاري ديگر مقايسه شده‌ است. مدل پيشنهادي با دارا بودن دقت قابل قبول در پيش‌بيني نتايج تجربي و همچنين سادگي روابط كه منجر به كاهش هزينه‌هاي محاسباتي مي‌گردد، براي تحليل سازه‌هاي هوشمند بر پايه آلياژهاي حافظه‌دار مغناطيسي مناسب مي‌باشد.

Magnetic shape memory alloys (MSMAs) are a new class of smart materials that exhibit characteristics of large recoverable strains and high frequency. These unique characteristics make MSMAs interesting materials for applications such as actuators, sensors, and energy harvesters. This paper presents a twodimensional phenomenological constitutive model for MSMAs, developed within the framework of irreversible continuum thermodynamics. To this end, a proper set of internal variables is introduced to reflect the microstructural consequences on the material macroscopic behavior. Moreover, a stressdependent thermodynamic force threshold for variant reorientation is introduced which improves the model accuracy in multiaxial loadings. Preassumed kinetic equations for magnetic domain volume fractions, decoupled equations for magnetization unit vectors and appropriate presentation of the limit function for martensite variant reorientation lead to a simple formulation of the proposed constitutive model. To investigate the proposed model capability in predicting the behaviors of MSMAs, several numerical examples are solved and compared with available experimental data as well as constitutive models in the literature. Demonstrating good agreement with experimental data besides possessing computational advantages, the proposed constitutive model can be used for analysis of MSMA-based smart structures.