Numerické modelování materiálů s tvarovou pamětí
Název práce v češtině: | Numerické modelování materiálů s tvarovou pamětí |
---|---|
Název v anglickém jazyce: | Numerical modeling of shape memory materials |
Klíčová slova: | materiály s tvarovou pamětí, numerické modelování |
Klíčová slova anglicky: | shape memory materials, numerical modeling |
Akademický rok vypsání: | 2022/2023 |
Typ práce: | diplomová práce |
Jazyk práce: | |
Ústav: | Matematický ústav UK (32-MUUK) |
Vedoucí / školitel: | prof. RNDr. Martin Kružík, Ph.D., DSc. |
Řešitel: | |
Konzultanti: | RNDr. Karel Tůma, Ph.D. |
Zásady pro vypracování |
Předmětem diplomové práce je počítačová implementace modelu slitiny NiTi v
konečně-prvkovém prostředí (ideálně AceFEM). NiTi je tzv. slitina s tvarovou pamětí charakteristická unikátní termomechanickým chováním a její modelování vyžaduje pokročilé nástroje mechaniky kontinua. Základem diplomové práce bude model navržený v [2,3], který je potřeba implementovat ve FEM a implementaci zoptimalizovat, a otestovat na benchmarkových příkladech. V případě zájmu je možné tuto práci rozšířit různými směry a to jak modelovacími, tak i analytickými. |
Seznam odborné literatury |
[1] B. Benešová and M. Kružík. Weak lower semicontinuity of integral functionals and applications.
SIAM Rev., 59(4):703–766, 2017. [2] M. Frost, B. Benešová, and P. Sedlák. A microscopically motivated constitutive model for shape memory alloys: formulation, analysis and computations. Math. Mech. Solids, 21(3):358–382, 2016. [3] P. Sedlák, M. Frost, B. Benešová, T. Ben Zineb, and P. Šittner. Thermomechanical model for NiTi-based shape memory alloys including R-phase and material anisotropy under multi-axial loadings. Int. J. Plast., 39:132–151, 2012 |
Předběžná náplň práce |
Slitiny s tvarovou pamětí patří do skupiny tzv. inteligentních materiálů, které
unikátním způsobem reagují na různé formy mechanického nebo tepelného zatěžování. Typickým příkladem je tzv. Jev tvarové paměti kdy se materiál po deformaci a následném zahřátí vrátí do původního tvaru. Důvodem tohoto chování je preference materiálu být v různých krystalických strukturách v závislosti na teplotě. Přesné experimentální zmapování tohoto chování je předmětem dlouhodobého zájmu sahajícího až do současnosti. Pochopitelně je i modelování látek s tvarovou pamětí stále se rozvíjející obor v mechanice kontinua. Formulace přesných modelů je ovšem možná jen pokud experimentální a modelářské skupiny úzce spolupracují a mají skutečně hluboký vhled do problematiky. Zájemce o tuto diplomovou práci bude mít možnost spolupracovat ve výzkumné skupině v Ústavu termomechanicky AV ČR, Fyzikálním ústavu AV ČR a ÚTIA AV ČR, která je světově unikátní blízkou spoluprací experimentátorů a teoretiků a svoje modely publikuje v prestižních časopisech (např. Science, časopisech SIAM a dalších). Diplomová práce bude zaměřená na modelování slitiny NiTi, která je vůbec nejrozšířenější a nejpoužívanější látka s tvarovou pamětí. Konkrétně se zájemce bude zabývat implementací již etablovaného modelu této slitiny do systému AceFEM. Implementace daného modelu do jiného konečně-prvkového prostředí (Abaqus) sice již existuje, ale tato není dostatečně optimalizovaná pro zahrnutí dalších jevů, jako je plasticita, a proto je nutné implementaci zrobustnit. V případě zájmu je možné tuto práci rozšířit různými směry a to jak modelovacími, tak i analytickými. Pochopitelně je možné problematiku dále rozvíjet i v rámci doktorského studia. |
Předběžná náplň práce v anglickém jazyce |
This diploma thesis is going to be focused on a computer implementation of models
describing behavior of NiTi. NiTi is a shape memory alloy with unique thermomechanical behavior and mathematical modeling of it requires advanced tools of continuum mechanics. The aim of the thesis is to develop a computer code (preferably in the AceFEM enviroment) for a finite element discretization of a model developed in [2,3]. Afterwards, the code will be tested on benchmark examples. Depending on a student, this work can be extended in various directions as far as mathematical analysis and modeling concerns. Shape memory alloys belong among the so-called intelligent materials which respond in a unique way on mechanical and/or thermal loading. A typical example is a shape memory effect when a deformed material jumps back to its original shape upon heating. Namely, the material prefers to stay in finite number of different crystallographic structures. Interesting mechanical properties have been attracting many experimental and theoretical researchers for decades. Sophisticated mathematical models can only be created if experimental and mathematical groups closely cooperate. The interested student will have a chance to collaborate with researcher from the Institutes of Thermomechanics, Physics, and of Information Theory and Automation of the Czech Academy of Sciences. This interdisciplinary group of researchers publishes its results in flagship journals (E.g. Science or SIAM Journals). The aim of this thesis is to implement a model of NiTi, which is worldwide the most used shape memory alloy, in the AcEFEM environment. Although a finite element implementation of this model already exists in Abaqus it is far not optimal. Hence, to develop a more robust code is highly desirable. The thesis can be extended in various ways (modeling, mathematical analysis) and the topic can be further studied within a doctoral program. |