Two-way shape memory effect(TWSME) under residual stresses are considered in the present study. The structure using two-way shape memory alloy(SMA) concept returns to its initial shape by increasing or decreasing temperature under the initially given residual stress. In the present study, we use a thermo-mechanical constitutive equation of SMA and laminated composite plates are considered as simple morphing structural components which are based on first order shear deformable laminated composite plate with large deflection. Numerical results of fully coupled SMA-composite structures are presented
In this paper, the thermomechanical responses of shape memory alloy (SMA) actuators and their applications as the shape adaptive structures combining SMA actuators produced in the form of strip with composite structures are investigated. The numerical algorithm of the 3-D SMA thermomechanical constitutive equations based on Lagoudas model is implemented to analyze the unique characteristics of SMA strip. Also, the incremental SMA constitutive equations are implemented in the user subroutine UMAT by using ABAQUS finite element program. The shape change of structure is caused by initially strained SMA strip bonded on the surface of the composite structure when thermally activated. Numerical results show that SMA strip actuator can generate enough recovery force to deform the composite structure and sustain the deformed shape subjected to large external load, simultaneously.
Connections play a significant role in strength of structures against earthquake-induced loads. According to the post-seismic reports, connection failure is a cause of overall failure in reinforced concrete (RC) structures. Connection failure results in a sudden increase in inter-story drift, followed by early and progressive failure across the entire structure. This article investigated the cyclic performance and behavioral improvement of shape-memory alloy-based connections (SMA-based connections). The novelty of the present work is focused on the effect of shape memory alloy bars is damage reduction, strain recoverability, and cracking distribution of the stated material in RC moment frames under seismic loads using 3D nonlinear static analyses. The present numerical study was verified using two experimental connections. Then, the performance of connections was studied using 14 models with different reinforcement details on a scale of 3:4. The response parameters under study included moment-rotation, secant stiffness, energy dissipation, strain of bar, and moment-curvature of the connection. The connections were simulated using LS-DYNA environment. The models with longitudinal SMA-based bars, as the main bars, could eliminate residual plastic rotations and thus reduce the demand for post-earthquake structural repairs. The flag-shaped stress-strain curve of SMA-based materials resulted in a very slight residual drift in such connections.
Two-way shape memory effect(TWSME) under residual stresses are considered in the present study. The structure using two-way shape memory effect concept returns to its initial shape by increasing or decreasing temperature under the initially given residual stress. In the present study, we use a thermo-mechanical constitutive equation of SMA and laminated composite beam are considered as simple morphing structural components which are based on large deformable 2D composite beam theory. Numerical results of fully coupled SMA-composite structures are presented.
NiTi-wire shape memory alloy (SMA) dampers, that utilize NiTi SMA wires to simultaneously damp tension, compression and torsion, was developed for structural control implementation in this study. First, eight reduced-scale NiTi-wire SMA dampers were constructed. Then tension, compression and torsion experiments using the eight reduced-scale NiTi-wire SMA dampers of different specification were done. The experimental results revealed all of the eight reduced-scale NiTi-wire SMA dampers had the ability to simultaneously supply tension-compression damping and torsion damping. Finally, mechanics analysis of the NiTi-wire SMA dampers was done based on a model of the SMA-wire restoring force and on tension-compression and torsion damping analysis. The damping analytical results were found to be similar to the damping experimental results.
Shape memory alloys(SMAs) have revolutionized the material engineering sciences as they exhibit exclusive features i.e. shape memory effect(SME) and super-elasticity. SMAs are those alloys that when deform return to their predeformed shape upon heating, they also restore their original shape by removing the load. Research on properties of newly advent of several types of ferrous based shape memory alloys(Fe-SMAs), shows that they have immense potential to be the counterpart of Nitinol(NiTi-SMA). These Fe-SMAs have been used and found to be effective because of their low cost, high cold workability, good weldability & excellent characteristics comparing with Nitinol(high processing cost and low cold workability) SMAs. Some of the Fe-SMAs show super-elasticity. Fe-SMAs, especially Fe-Mn-Si alloys have an immense potential for civil engineering structures because of its unique properties e.g. two-way shape memory effect, super elasticity and shape memory effect as well as due to its low cost, high elastic stiffness and wide transformation hysteresis comparative to Nitinol. Further research is being conducted on SMAs to improve and impinge better attributes by improving the material compositions, quantifying the SMA phase transition temperature etc. In this research pre-existing Fe-SMAs are categorised and collected in a tabulated form. An analysis is performed that which category is mostly available. Last 50 years data of Fe-SMA publications and US Patents is collected to show its importance in terms of increasing research on such type of alloys to invent different compositions and applications. This data is analysed as per different year groups during last 50 years and it was analysed as per whether the keywords exist in title of an article or anywhere in the article. It was found that different keywords related to Fe-SMAs/categories of Fe-SMAs, almost don't exist in the title of articles. However, these keywords related to Fe-SMAs/categories of Fe-SMAs, exist inside the article but still there are not too many publications related to Fe-SMAs/categories of Fe-SMAs.
Micromanufacturing is a useful system for reducing energy consumption. For micromanufacturing, tool clamping and workpiece clamping are important components to realize the machining process. Therefore, a shape memory alloy (SMA) ring type tool holder is developed. In addition, this holder needs cooling and heating processes to execute the tool clamping process. This study suggests a cooling/heating device based on peltier elements. The device will be applied to the heating/cooling process of an automatic tool changer (ATC) for the SMA tool holder. This study introduces the configuration and operating principle of the proposed ATC system. The description and prototype evaluation of this system were given. Plastic bolt and aluminum block were selected to enhance the cooling performance, and the installed tool was changed in 17 s during the experiments.
As a practical and effective seismic resisting technology, the base isolation system has seen extensive applications in buildings and bridges. However, a few problems associated with conventional lead-rubber bearings have been identified after historical strong earthquakes, e.g., excessive permanent deformations of bearings and potential unseating of bridge decks. Recently the applications of shape memory alloys (SMA) have received growing interest in the area of seismic response mitigation. As a result, a variety of SMA-based base isolators have been developed. These novel isolators often lead to minimal permanent deformations due to the self-centering feature of SMA materials. However, a rational design approach is still missing because of the fact that conventional design method cannot be directly applied to these novel devices. In light of this limitation, a displacement-based design approach for highway bridges with SMA isolators is proposed in this paper. Nonlinear response spectra, derived from typical hysteretic models for SMA, are employed in the design procedure. SMA isolators and bridge piers are designed according to the prescribed performance objectives. A prototype reinforced concrete (RC) highway bridge is designed using the proposed design approach. Nonlinear dynamic analyses for different seismic intensity levels are carried out using a computer program called "OpenSees". The efficacy of the displacement-based design approach is validated by numerical simulations. Results indicate that a properly designed RC highway bridge with novel SMA isolators may achieve minor damage and minimal residual deformations under frequent and rare earthquakes. Nonlinear static analysis is also carried out to investigate the failure mechanism and the self-centering ability of the designed highway bridge.
This paper describes a smart structural system, which uses smart materials for real-time monitoring and active control of bolted-joints in steel structures. The goal of this research is to reduce the possibility of failure and the cost of maintenance of steel structures such as bridges, electricity pylons, steel lattice towers and so on. The concept of the smart structural system combines impedance based health monitoring techniques with a shape memory alloy (SMA) washer to restore the tension of the loosened bolt. The impedance-based structural health monitoring (SHM) techniques were used to detect loosened bolts in bolted-joints. By comparing electrical impedance signatures measured from a potentially damage structure with baseline data obtained from the pristine structure, the bolt loosening damage could be detected. An outlier analysis, using generalized extreme value (GEV) distribution, providing optimal decision boundaries, has been carried out for more systematic damage detection. Once the loosening damage was detected in the bolted joint, the external heater, which was bonded to the SMA washer, actuated the washer. Then, the heated SMA washer expanded axially and adjusted the bolt tension to restore the lost torque. Additionally, temperature variation due to the heater was compensated by applying the effective frequency shift (EFS) algorithm to improve the performance of the diagnostic results. An experimental study was conducted by integrating the piezoelectric material based structural health monitoring and the SMA-based active control function on a bolted joint, after which the performance of the smart 'self-monitoring and self-healing bolted joint system' was demonstrated.
In the work at hand, the development of a morphing flap, actuated through shape memory alloy load bearing elements, is described. Moving from aerodynamic specifications, prescribing the morphed shape enhancing the aerodynamic efficiency of the flap, a suitable actuation architecture was identified, able to affect the curvature. Each rib of the flap was split into three elastic elements, namely "cells", connected each others in serial way and providing the bending stiffness to the structure. The edges of each cell are linked to SMA elements, whose contraction induces rotation onto the cell itself with an increase of the local curvature of the flap airfoil. The cells are made of two metallic plates crossing each others to form a characteristic "X" configuration; a good flexibility and an acceptable stress concentration level was obtained non connecting the plates onto the crossing zone. After identifying the main design parameters of the structure (i.e. plates relative angle, thickness and depth, SMA length, cross section and connections to the cell) an optimization was performed, with the scope of enhancing the achievable rotation of the cell, its ability in absorbing the external aerodynamic loads and, at the same time, containing the stress level and the weight. The conceptual scheme of the architecture was then reinterpreted in view of a practical realization of the prototype. Implementation issues (SMA - cells connection and cells relative rotation to compensate the impressed inflection assuring the SMA pre-load) were considered. Through a detailed FE model the prototype morphing performance were investigated in presence of the most severe load conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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