Publication: Şekil hafızalı metaller ile aktüatör tasarımı
Abstract
ŞEKİL HAFIZALI METALLER İLE AKTÜATÖR TASARIMI Bu çalışmada, kendi içinde ve çevresindeki değişimlere tepki vererek belirli işlevleri anında ve sürekli olarak yerine getirebilen malzeme olarak tanımlanan akıllı malzemeler olan Şekil Hafızalı Metaller incelenmiştir. Bu malzemeler, kristal yapılarında martenzit fazdan östenit faza dönüşümlerinin etkisi ile önceki şeklini hatırlayabilen ve ısı enerjisi verildiğinde değişim öncesi mikro yapılarına tekrar dönebilen bir özelliğe sahiptir. Bu malzemelerde önceki şekline dönme sürecinde engelleyiciler konursa 700 MPa’ya varan yüksek gerilimler oluşur ve malzeme adeta kas gibi hareket etmeye başlar ve bu özelliğiyle biyomedikal uygulamalarda aktüatör olarak kullanılabilir. Hafızalı metaller, medikal uygulamaların yanı sıra, uçak hidrolik sistemlerinde, yarıiletken gaz tüp bağlantılarında, diş düzeltme komponentlerinde, otomotivde radyatör pervanelerinde, egzoz çıkış kontrollerinde, uydu sistemlerinde, termostatik cihazlarda kullanılmaktadır. Çalışmanın ilk bölümünde, giriş yapıldıktan sonra bu malzemelerin aktüatör olarak kullanılmasındaki amaçlar ortaya konulmuştur. İkinci bölümde, bu alaşımların genel tanıtımı yapılıp ardından bu malzemelerin içyapısında medyana gelen durumlar anlatılarak malzemenin hal durumları incelenmiştir. Yine ikinci bölüm içersinde bu malzemelerin endüstriyel açısından önemi irdelenerek bu malzemelerin endüstriyel uygulamaları verilmiştir. Üçüncü bölümde, Şekil Hafızalı Alaşımların içyapısını tanımlayan matematiksel modellemeler sunulmuştur. Dördüncü bölümde, bu malzemenin aktüatör tasarım örnekleri ve uygulamalardaki önemi anlatılmıştır. Daha sonra bu malzemenin FEA analizleri için iki farklı modelleme sunularak bu modellerin karşılaştırılması yapılmıştır. Beşinci bölümde SMA'nın aktüatör tasarım hakkındaki sonuçlar incelenmiş olup FEA simülasyonların da elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Son olarak Bölüm VI'da ise çalışmada elde edilen genel sonuçlar ortaya konulmuş ardından bu alaşım hakkında değerlendirme ve öneriler sunulmuştur. Haziran, 2006Ersin TOPTAŞ
DESIGN OF ACTUATOR WITH SHAPE MEMORY ALLOYS Shape memory alloys which are called smart materials, have certain shapes under certain environmental and micro structure are studied in the present thesis. These materials have the ability to memorize their shape according to the martensite and austenite phase transformation ratio. The shape of the material can be changed by applying a force which will deform the material. The material can return the original shape if heated by affecting the micro structure of the material. Up to 700 MPa stress may be seen during shape changes of the material. This type of the high resistance to the stress is very useful for the actuator and biomedical design as well as many type of machine parts design. The industrial application of the shape memory alloys are: medical and dental parts, automotive funs, control of the gas exhaust systems of cars and thermal switches. In the first part of the study; an introduction which emphasizes the importance of the work and summarizes the former works is given. The aim of the study is also presented in the first chapter of the study. The general material structure of the shape memory alloys and properties of the micro structures are given in chapter second. The industrial application of the shape memory alloys are also summarized in chapter two. In the third chapter, the mathematical material models which explain the macro mechanical behavior and micro structures of the shape memory alloy are given. In the fourth chapter, some actuators applications are presented with samples and the importance of the industrial actuators are given. A finite element modeling of the shape memory alloy which incorporates different mechanical models is proposed in the same chapter. The results of the FEA simulations obtained from different material models were compared to each other. In the fifth chapter, the results of the simulations are discussed. General conclusions obtained from the present thesis and proposals as a result of the work are presented in the sixth chapter. June, 2006 Ersin TOPTAŞ
DESIGN OF ACTUATOR WITH SHAPE MEMORY ALLOYS Shape memory alloys which are called smart materials, have certain shapes under certain environmental and micro structure are studied in the present thesis. These materials have the ability to memorize their shape according to the martensite and austenite phase transformation ratio. The shape of the material can be changed by applying a force which will deform the material. The material can return the original shape if heated by affecting the micro structure of the material. Up to 700 MPa stress may be seen during shape changes of the material. This type of the high resistance to the stress is very useful for the actuator and biomedical design as well as many type of machine parts design. The industrial application of the shape memory alloys are: medical and dental parts, automotive funs, control of the gas exhaust systems of cars and thermal switches. In the first part of the study; an introduction which emphasizes the importance of the work and summarizes the former works is given. The aim of the study is also presented in the first chapter of the study. The general material structure of the shape memory alloys and properties of the micro structures are given in chapter second. The industrial application of the shape memory alloys are also summarized in chapter two. In the third chapter, the mathematical material models which explain the macro mechanical behavior and micro structures of the shape memory alloy are given. In the fourth chapter, some actuators applications are presented with samples and the importance of the industrial actuators are given. A finite element modeling of the shape memory alloy which incorporates different mechanical models is proposed in the same chapter. The results of the FEA simulations obtained from different material models were compared to each other. In the fifth chapter, the results of the simulations are discussed. General conclusions obtained from the present thesis and proposals as a result of the work are presented in the sixth chapter. June, 2006 Ersin TOPTAŞ