There are many practical applization that require motorless actuation. The purpose of the paper is to develop an actuator using the shape memory alloys(SMA) that operates is linear motion. We consider several design specifications as driving force of above 5kgf, driving stroke length 15mm, supply voltage DC 9-l2V and operating time less than 0.5sec etc. Design procedure and experimental results of a mock-up model are Presented. It has been also applied to the door locking system.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.8
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pp.1083-1089
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2010
Shape memory alloys (SMAs) are smart materials. The unique characteristics of SMAs enable the production of large force and displacement. Hence, SMAs can be used in many applications such as in actuators and active structural acoustic controllers; the SMAs can also be used for dynamic tuning and shape control. A SMA torque tube actuator consisting of SMA tubes and superelastic springs is proposed, and the behaviors of the actuator are investigated. From the results of heat transfer analysis, it is proved that the SMA torque tube actuator with both resistive heating of SMA itself and a separate conventional heating rod in the tube core has good performance. The behavior of an actuator system was analyzed by performing a contact analysis, and the twisting motion was noticed when checking the actuation. 3D SMA nonlinear constitutive equations were formulated numerically and implemented by performing a nonlinear analysis by using Abaqus UMAT.
The nickel-titanium shape memory alloy (SMA), referred to as Nitinol, exhibits a superelastic effect that can be restored to its original shape even if a significant amount of deformation is applied at room temperature, without any additional heat treatment after removal of the load. Owing to these unique material characteristics, it has widely used as displacement control devices for seismic retrofitting in civil engineering fields as well as medical, electrical, electronic and mechanical fields. Contrary to ordinarty carbon steel, superelastic SMAs are very resistant to fatigue, and have force-displacement properties depending on loading speed. The change for the mechanical properties of superelastic SMAs are experimentally inviestigated in this study when loading cycle numbers and loading speeds are different. In addition, the standardized force-displacement properties of such superelastic SMAs are proposed with an aim to efficiently design the seismic retrofitting devices made of these materials.
The work presented in this paper includes material characterisation and an investigation of suitability in seismic dampers for two commercially available NiTi-alloys, along with a numerical analysis of a new damper system employing composite NiTi-wires. Numerical simulations of the new damper system are conducted, using Brinson's one-dimensional constitutive model for shape memory alloys, with emphasis on the system's energy dissipation capabilities. The two alloys tested showed some unwanted residual strain at temperatures higher than $A_f$, possibly due to stress concentrations near inclusions in the material. These findings show that the alloys are not ideal, but may be employed in a seismic damper if precautions are made. The numerical investigations indicate that using composite NiTi-wires in a seismic damper enhances the energy dissipation capabilities for a wider working temperature range.
This study compares the performance of two smart isolation systems that utilize superelastic shape memory alloys (SMAs) for seismic protection of bridges using energy balance concepts. The first isolation system is a SMA/rubber-based isolation system (SRB-IS) and consists of a laminated rubber bearing that decouples the superstructure from the bridge piers and a SMA device that provides additional energy dissipation and re-centering capacity. The second isolation system, named as superelastic-friction base isolator (S-FBI), combines the superelastic SMAs with a flat steel-Teflon bearing rather than a laminated rubber bearing. Seismic energy equations of a bridge structure with SMA-based isolation systems are established by absolute and relative energy balance formulations. Nonlinear time history analyses are performed in order to assess the effectiveness of the isolation systems and to compare their performance. The program RSPMatch 2005 is employed to generate spectrum compatible ground motions that are used in time history analyses of the isolated bridge. Results indicate that SRB-IS produces higher seismic input energy, recoverable energy and base shears as compared to the S-FBI system. Also, it is shown that combining superelastic SMAs with a sliding bearing rather than rubber bearing significantly reduce the amount of the required SMA material.
The effectiveness of using the advanced seismic protection technology based on shape memory alloy (SMA) dampers to preserve a historical minaret is investigated. The proposed studied case, the minaret of Mansourah, is a seven century old minaret located in Tlemcen, Algeria. Its original height was of 47m, while nowadays, the monument is half destructed and its current height reaches the 40m. The proposed seismic retrofit is based on the technique that utilizes SMA wires as dampers for the upper flexible part of the minaret. The effectiveness of the proposed technique is numerically evaluated via non-linear finite element analysis using the structural software ANSYS. The effectiveness of the proposed device in mitigating the seismic hazard is demonstrated by the effective reduction in its dynamic response.
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.
Belyaev, Fedor S.;Evard, Margarita E.;Volkov, Aleksandr E.;Volkova, Natalia A.;Vukolov, Egor A.
Smart Structures and Systems
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v.30
no.3
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pp.245-253
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2022
A two-layer beam consisting of an elastoplastic layer and a functional layer made of shape memory alloy (SMA) TiNi is considered. Constitutive relations for SMA are set by a microstructural model capable to calculate strain increment produced by arbitrary increments of stress and temperature. This model exploits the approximation of small strains. The equations to calculate the variations of the strain and the internal variables are based on the experimentally registered temperature kinetics of the martensitic transformations with an account of the crystallographic features of the transformation and the laws of equilibrium thermodynamics. Stress and phase distributions over the beam height are calculated by steps, by solving on each step the boundary-value problem for given increments of the bending moment (or curvature) and the tensile force (or relative elongation). Simplifying Bernoulli's hypotheses are applied. The temperature is considered homogeneous. The first stage of the numerical experiment is modeling of preliminary deformation of the beam by bending or stretching at a temperature corresponding to the martensitic state of the SMA layer. The second stage simulates heating and subsequent cooling across the temperature interval of the martensitic transformation. The curvature variation depends both on the total thickness of the beam and on the ratio of the layer's thicknesses.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.478-485
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2002
The shape memory alloys (SMAs) are often used in smart materials and structures as the active components. Their ability to provide a high recovery force and a large displacement has been used in many applications. In this paper the radial displacement of an externally pressurized elliptic composite cylinder where SMA liner or strips actuators are bonded on its inner or outer surface is investigated numerically. The elliptic composite cylinders consisting of an inlet duct system with SMAs are designed and analyzed to determine the feasibility of such a system for the removal of stiffeners from an externally pressurized duct of an aircraft inlet. The deformations caused by prestrained SMAs placed on either surface of an elliptic composite cylinder are studied when activated. The externally pressurized elliptic composite cylinders with the SMA actuators were analyzed using the 3-D finite element method incorporated with 3-D SMA behaviors. The results show that the role of stiffeners may be switched by the activated light SMA actuators.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.3
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pp.53-61
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2020
This paper presents a systematic numerical analysis to obtain the re-centering and energy dissipation capacities of Chevron braced steel frames subjected to seismic loadings. In order to develop a recentering seismic resistance system excluding a residual deformation, the chevron braced steel frames are assembled using super-elastic SMA (Shape Memory Alloy) braces. The three-dimensional nonlinear finite element models are constructed to investigate the horizontal stiffness, hysteretic behaviors, and failure modes of the re-centering Chevron bracing system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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