Shape memory alloys (SMA) have interesting features which are the superelastic effect (SE), shape memory effect (SME), two-way SME (TWSME), and so on. These are utilized in actuation factor. The thermo-mechanical constitutive equations of SMA proposed by Lagoudas et al. were employed in the present study for simulating SMA truss structures. The constitutive equation includes the necessary internal variables to account for the material transformations and is utilized in the non-linear finite element procedure of three dimensional truss structures that composed SMA bar (wholly or partially). In this study, we observed which element should be actuated to get a desired shape (actuation shape) from computational analysis. To reach this goal, we apply SMA constitutive equation to non-linear finite element formulation. And then, we simulate two-way shape memory effect as well as superelastic effect of various three dimensional truss using SMA.
Continuous rotating SMA actuators require motion conversion mechanisms, so their structure is relatively complex and difficult to realize the miniaturization. Here, a new type of continuous rotating actuator driven by SMA is proposed. It combines the movable tooth drive with SMA drive. The structure and working principle of the integrated movable tooth drive system is introduced. The equations of temperature, stress and strain of memory alloy wires, and the output torque of drive system are given. Using these equations, the temperature, the output forces of the SMA wires, and output torque of the drive system are studied. Results show that the compact drive system could give large output torque. To obtain large output torque plus small fluctuation, large eccentricity and small diameter of the SMA wire should be taken. Combined application of ventilation cooling and high current can increase the rotary speed of the drive system.
Saebyeok, Jeong;Kun-Ho E., Kim;Youngchan, Lee;Dahye, Yoo;Kinam, Hong;Donghyuk, Jung
Earthquakes and Structures
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제23권5호
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pp.431-444
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2022
The unique thermomechanical properties of shape memory alloys (SMAs) make it a versatile material for strengthening and repairing structures. In particular, several research studies have already demonstrated the effectiveness of using the heat activated shape memory effect of nickel-titanium (Ni-Ti) based SMAs to actively confine concrete members. Despite the proven effectiveness and wide commercial availability of Ni-Ti SMAs, however, their high cost remains a major obstacle for applications in real structural engineering projects. In this study, the shape memory effect of a new, much more economical iron-based SMA (Fe-SMA) is characterized and the compressive behavior of concrete confined with Fe-SMA strips is investigated. Tests showed the Fe-SMA strips used in this study are capable of developing high levels of recovery stress and can be easily formed into hoops to provide effective active and passive confining pressure to concrete members. Compared to concrete cylinders confined with conventional carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites, Fe-SMA confinement yielded significantly higher compressive deformation capacity and residual strength. Overall, the compressive behavior of Fe-SMA confined concrete was comparable to that of Ni-Ti SMA confined concrete. This study clearly shows the potential for Fe-SMA as a robust and cost-effective strengthening solution for concrete structures and opens possibilities for more practical applications.
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.
Damanpack, A.R.;Bodaghi, M.;Liao, W.H.;Aghdam, M.M.;Shakeri, M.
Smart Structures and Systems
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제16권4호
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pp.641-665
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2015
In this paper, a simple and efficient phenomenological macroscopic one-dimensional model is proposed which is able to simulate main features of shape memory alloys (SMAs) particularly ferro-elasticity effect. The constitutive model is developed within the framework of thermodynamics of irreversible processes to simulate the one-dimensional behavior of SMAs under uniaxial simple tension-compression as well as pure torsion+/- loadings. Various functions including linear, cosine and exponential functions are introduced in a unified framework for the martensite transformation kinetics and an analytical description of constitutive equations is presented. The presented model can be used to reproduce primary aspects of SMAs including transformation/orientation of martensite phase, shape memory effect, pseudo-elasticity and in particular ferro-elasticity. Experimental results available in the open literature for uniaxial tension, torsion and bending tests are simulated to validate the present SMA model in capturing the main mechanical characteristics. Due to simplicity and accuracy, it is expected the present SMA model will be instrumental toward an accurate analysis of SMA components in various engineering structures particularly when the ferro-elasticity is obvious.
Base isolation is one of the most widely implemented and well-known technique to reduce structural vibration and damages during an earthquake. However, while the base-isolated structure reduces storey drift significantly, it also increases the base drifts causing many practical problems. This study proposes the use of Shape Memory Alloys (SMA) wires for the reduction in base drift while controlling the overall structure vibrations. A multi-degree-of-freedom (MDOF) structure along with base isolators and Shape-Memory-Alloys (SMA) wires in diagonal is tested experimentally and analytically. The isolation bearing considered in this study consists of laminates of steel and silicon rubber. The performance of the proposed structure is evaluated and studied under different loadings including harmonic loading and seismic excitation. To assess the seismic performance of the proposed structure, shake table tests are conducted on base-isolated MDOF frame structure incorporating SMA wires, which is subjected to incremental harmonic and historic seismic loadings. Root mean square acceleration, displacement and drift are analyzed and discussed in detail for each story. To better understand the structure response, the percentage reduction of displacement is also determined for each story. The result shows that the reduction in the response of the proposed structure is much better than conventional base-isolated structure.
Reinforced concrete (RC) framed buildings dissipate the seismic energy through yielding of the reinforcing bars. This yielding jeopardizes the serviceability of these buildings as it results in residual lateral deformations. Superelastic Shape Memory Alloys (SMAs) can recover inelastic strains by stress removal. Since SMA is a costly material, this paper defines the required locations of SMA bars in a typical RC frame to optimize its seismic performance in terms of damage scheme and seismic residual deformations. The intensities of five earthquakes causing failure to a typical RC six-storey building are defined and used to evaluate seven SMA design alternatives.
Continuum manipulators as a kind of mechanical arms are useful tools in special robotic applications. In medical applications, like colonoscopy, a maneuverable thin and flexible manipulator is required. This research is focused on developing a basic module for such an application using shape memory alloys (SMA). In the structure of the module three wires of SMA are uniformly distributed and attached to the circumference of a flexible tube. By activating wires, individually or together, different rotation regimes are provided. SMA model is used based on Brinson work. The SMA model is combined to model of flexible tube to provide a composite model of the module. Simulating the model in Matlab provided a platform to be used to develop controller. Complex and nonlinear behavior of SMA make the control problem hard especially when a few SMA actuators are active simultaneously. In this paper, position control of the two degree of freedom module is under focus. An experimental control strategy is developed to regulate a desired position in the module. The simulation results present a reasonable performance of the controller. Moreover, the results are verified through experiments and show that the continuum module of this paper would be used in real modular manipulators.
The bracing members capable of active control against seismic loads to reduce earthquake damage have been widely utilized in construction projects. Effectively reducing the structural damage caused by earthquake events, bracing systems equipped with retrofitting damper devices, which take advantage of the energy dissipation and impact absorption, have been widely used in practical construction sites. Shape Memory Alloys (SMAs) are a new generation of smart materials with the capability of recovering their predefined shape after experiencing a large strain. This is mainly due to the shape memory effects and the superelasticity of SMA. These properties make SMA an excellent alternative to be used in passive, semi-active, and active control systems in civil engineering applications. In this research, a new system in diagonal braces with slit damper combined with SMA is investigated. The diagonal element under the effect of tensile and compressive force turns to shear force in the slit damper and creates tension in the SMA. Therefore, by creating shear forces in the damper, it leads to yield and increases the energy absorption capacity of the system. The purpose of using SMA, in addition to increasing the stiffness and strength of the system, is to create reversibility for the system. According to the results, the highest capacity is related to the case where the ratio of the width of the middle section to the width of the end section (b1/b) is 1.0 and the ratio of the height of the middle part to the total height of the damper (h1/h) is 0.1. This is mainly because in this case, the damper section has the highest cross-section. In contrast, the lowest capacity is related to the case where b1/b=0.1 and the ratio h1/h=0.8.
Large-scale earthquakes pose serious threats to infrastructure causing substantial damage and large residual deformations. Superelastic (SE) Shape-Memory-Alloys (SMAs) are unique alloys with the ability to undergo large deformations, but can recover its original shape upon stress removal. The purpose of this research is to exploit this characteristic of SMAs such that concrete Beam-Column Joints (BCJs) reinforced with SMA bars at the plastic hinge region experience reduced residual deformation at the end of earthquakes. Another objective is to evaluate the seismic performance of SMA Reinforced Concrete BCJs repaired with flowable Structural-Repair-Concrete (SRC). A $\frac{3}{4}$-scale BCJ reinforced with SMA rebars in the plastic-hinge zone was tested under reversed cyclic loading, and subsequently repaired and retested. The joint was selected from an RC building located in the seismic region of western Canada. It was designed and detailed according to the NBCC 2005 and CSA A23.3-04 recommendations. The behaviour under reversed cyclic loading of the original and repaired joints, their load-storey drift, and energy dissipation ability were compared. The results demonstrate that SMA-RC BCJs are able to recover nearly all of their post-yield deformation, requiring a minimum amount of repair, even after a large earthquake, proving to be smart structural elements. It was also shown that the use of SRC to repair damaged BCJs can restore its full capacity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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