Экспериментальные методы исследования формы памяти на основе процессов Охлаждение Elastocaloric и проверки достоверности моделей

Резюме

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

Аннотация

Shape Memory Alloys (SMA) с использованием elastocaloric процессов охлаждения имеют потенциал, чтобы быть экологически чистой альтернативой обычным процессом охлаждения на основе сжатия пара. Никель-титановые (Ni-Ti), системы на основе сплава, в частности, показывают большие elastocaloric эффекты. Кроме того, проявляют большой скрытой теплоты, которая является необходимым свойством материала для развития эффективного процесса охлаждения на основе твердотельного. Научный испытательный стенд был разработан, чтобы исследовать эти процессы и эффекты elastocaloric в СМА. Реализованный испытательный стенд обеспечивает независимое управление механической погрузки и разгрузки циклов SMA в не давал, а также проводящий теплообмен между охлаждающими элементами SMA и источника тепла / раковина. Испытательный стенд оснащен комплексной системой мониторинга, способной синхронизированных измерений механических и тепловых параметров. В дополнение к определению процесса зависящих от механической работы, система позволяет также проводились измереният тепловых калорийных аспектов elastocaloric охлаждающего эффекта за счет использования высокоэффективной инфракрасной камерой. Такое сочетание представляет особый интерес, так как она позволяет иллюстрации локализации и скорости эффектов - как имеющие важное значение для эффективной передачи тепла от среды для охлаждения.

Работа, представленная описывает экспериментальный метод для выявления elastocaloric свойств материала в различных материалов и образцов геометрии. Кроме того, испытательный стенд используется для исследования различных вариантов процесса охлаждения. Введенные методы анализа позволяют дифференцированно рассмотрение материала, процесса и связанных с граничным условием влияния на эффективность процесса. Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования (одного термомеханической связанной модели конечных элементов) позволяет лучше понять, лежащих в основе физики elastocaloric эффекта. Кроме того, экспериментальные результаты, а также выводы баСЭД по результатам моделирования, используются для улучшения свойств материала.

Введение

Твердые процессы государственного охлаждения на основе ferroic материалов имеют потенциал, чтобы быть экологически чистой альтернативы традиционным процессом на основе сжатия паров. Ferroic материалы могут проявлять Магнитокалорические, Электрокалорический и elastocaloric эффекты ^{1, 2,} а также комбинации этих эффектов, которые описаны как поведение multicaloric материала ^3. Различные эффекты калорийность в ferroic материалов в настоящее время изучаются в рамках приоритетной программы немецкий научный фонд (DFG) SPP 1599 "калорические эффекты в Ferroic Материалы: новые концепции для охлаждения" ^4. Shape Memory Alloys (SMA) , которые исследуются в рамках этой программы показывают большие elastocaloric эффекты, в частности , сплавов на основе Ni-Ti из - за их больших скрытых теплот ^5. Деформационное фазовых превращений при высоких скоростях деформации приводит к значительным изменениям температурных SMA, как показано на рисунке 1.адиабатический, экзотермическая фазовое превращение из аустенита в мартенсит повышает температуру SMA. Эндотермическая преобразование из мартенсита в аустенит приводит к существенному снижению температуры. Эти elastocaloric свойства материала могут быть использованы для твердотельных процессов охлаждения путем применения подходящей механической погрузки и разгрузки цикл. На рисунке 2 показан типичный elastocaloric цикл охлаждения, в соответствии с циклом Брайтона. Передача тепла между источником тепла и холода, выгружаются SMA имеют место при низких уровнях температуры. На следующем этапе, СЗФ находится в состоянии бесконтактным и быстро, адиабатический нагрузка приводит к значительному повышению температуры на SMA. Последующая передача тепла между горячей SMA и радиатором имеют место при постоянном напряжении на SMA. После завершения передачи тепла, быстро, адиабатический разгрузка приводит к существенному снижению температуры ГМС ниже температуры источника тепла, в результате чего на следующий С охлажденияycle и передача тепла с источником тепла может начаться. Эффективность elastocaloric процесса охлаждения зависит от требуемой механической работы и поглотитель тепла.

Во- первых, эксперименты по мониторингу температурного поля во время испытаний на растяжение проводились Shaw и соавт. ^{6, 7,} с целью исследовать образование локальных температурных пиков во время испытаний на растяжение SMA полос и проводов при различных скоростях. Применяется экспериментальный метод в сочетании измерения механических параметров (напряжения, деформации и скорости деформации) с одновременным приобретением температурных полей с помощью термографии измерений. Во время погрузки и разгрузки SMA образца с разрывной машины, инфракрасный (ИК) камера использовалась для получения ИК-изображений образца SMA. Эта методика позволяет исследование скорости деформации зависимого формирования температурных пиков. Измерение распределения температуры поОбразец очень важно для исследовании elastocaloric эффектов и определения охлаждающих свойств материала. Локальное измерение температуры - путем применения измерения температуры контактировани - не является достаточным для того, чтобы охарактеризовать охлаждающие свойства материала. Измерение температурного поля был также использован Кюи и др. ⁸ для изучения elastocaloric эффектов в Ni-Ti провода. Кроме того, Ossmer и др. ^{9, 10} показали , что термографические измерения температуры также пригодны для исследования elastocaloric эффектов в Ni-Ti на основе тонких пленок, которые требуют высокой частоты кадров ИК - камеры для исследования адиабатических фазовых превращений при высокой деформации ставки. Этот метод позволяет при исследовании elastocaloric величин и однородности температурного профиля, который оказывает существенное влияние на твердотельном на основе переноса тепла иэффективность elastocaloric процессов.

Эффективность охлаждения материала может быть определена путем расчета требуемой работы на основании измерений напряжения / деформации, а также тепла (которое может быть определено с учетом изменения температуры и теплоемкость материала). Тем не менее, экспериментальный метод не позволяет исследование elastocaloric материала при условии процесса. Это включает в себя передачу тепла между SMA и источником тепла, который оказывает существенное влияние на эффективность охлаждающего эффекта.

Материал характеристика условий процесса охлаждения и исследование elastocaloric процессов охлаждения требуют испытательного стенда, позволяющий твердотельный на основе теплопередачу, которые не могут быть исследованы с помощью любой существующей коммерческой системе. С этой целью, нового тестирования платформа была разработана. Испытательный стенд устанавливается на двух уровнях , как показано на рисунке 3. The uppeУровень R позволяет базовой характеристики elastocaloric материала и начальных процедур подготовки, аналогично описанному ранее методу (смотри рисунок 4). Установка оснащена линейным прямым приводом , способный погрузки и разгрузки SMA при скоростях деформации до 1 с ^-1 (см рисунок 5). Линейный прямой привод позволяет исследовать образцы с поперечным сечением до 1,8 мм ^2, в то время как типичная длина образца составляет 90 мм. Преимущество линейного прямого привода является высокая скорость и высокое ускорение - в отличие от шариковых винтовых приводов, которые обычно используются для испытаний на растяжение. Кроме того, датчик нагрузки, а также интегрированная система измерения положения линейного привода, обеспечивает механические данные измерения. ИК-камера с высоким разрешением (1280 х 1024 пикселей) используется для измерения профиля температуры в SMA с до 400 Гц (в требуемом диапазоне температур). Использование микроскопа объектив с Рез15 способность по мкм / пиксель позволяет исследование локальных температурных эффектов. Нижний уровень испытательного стенда содержит механизм , который позволяет переменного кондуктивной теплопередачи между SMA и источником / радиатором тепла (см 6 и 7). Линейный прямой привод на нижнем уровне переключается между источником тепла к SMA и от SMA к радиатору, в то время пневматического цилиндра лифтами и снижает источник тепла / раковина (рисунок 8). Каждый привод может управляться независимо друг от друга позволяет для исследования различных вариаций процесса охлаждения. Комплексная система измерения позволяет проводить измерения механических параметров: положение привода, скорость привода, SMA силы нагрузки, контактное усилие между SMA и источником тепла / раковина во время передачи тепла, а также тепловых параметров (например, температура внутри / раковины, распределение температуры источника тепла на поверхности SMA и источника тепла / грехак). Более подробное описание научного тестирования платформы приведен в Schmidt и др. ^11.

Рисунок 5. Схема верхнего уровня испытательного стенда Линейный прямой привод для погрузки и разгрузки образца SMA с интегрированной системой измерения положения. датчик нагрузки для измерения сил растяжения, а также ИК-камера с высоким разрешением (1280 х 1024 пикселей) для приобретения температурного профиля.

Рисунок 7. Схема нижнего уровня испытательной установки Линейное прямой привод для переключения между теплоотводом и источником тепла. пневматический цилиндр, чтобы установить контакт между образцом SMA и источника тепла / раковина; Датчики температуры были встроены в радиаторе / СОУRCE для измерения температуры сердцевины блоков. Клетка сжимающей нагрузки для измерения контактного усилия между SMA и источником тепла / раковина встроена в механизм переноса тепла и не видно в этой схеме.

Испытательный стенд позволяет проводить исследования различных составов сплавов и размеров выборки, а также геометрий (ленты, провода). Кроме того, установка позволяет комплексные исследования elastocaloric материалов и процессов охлаждения. Описанные выше эксперименты могут быть выполнены и исполнение будет описан шаг за шагом в разделе протокола этой рукописи.

Материал стабилизации:

Стабильное поведение материала имеет важное значение для использования elastocaloric материалов в системах охлаждения. С этой целью применяется механическая процедура стабилизации. Во время этой процедуры материал проходит механическую нагрузку и разгрузку циклов и выполняет фазупревращение аустенита в мартенсит. Стабилизация материала показывает сильную зависимость скорости. Высокие скорость нагрузки приводят к изменению температуры материала, что обусловлено выделением скрытой теплоты фазового превращения. Это изменение температуры имеет аналогичное влияние на стабилизацию материала, как это делают механические циклы обучения при различных температурах ^12-15. В дополнение к хорошо известной механической ¹³ и калорийности ¹⁶ стабилизации, стабилизации термического материала можно наблюдать с разработанной установки путем применения термографии ^17.

Характеристика материалов:

После первоначальной механической процедуры обучения, материал показывает стабильную механическую, термическую и калорийность поведение, разрешающее elastocaloric свойства материала, чтобы охарактеризовать. Таким образом, механическая работа при различных скоростях выполняется в то время как, в отличие от процедуры подготовки кадров, elastocaloric характеристика включает удерживающий фазу после погрузки и разгрузки. На время фазы удержания напряжение SMA поддерживается постоянным, пока уровень окружающего температура снова не будет достигнута. Этот тип эксперимента необходим для того, чтобы определить самую низкую температуру достижимую после разгрузки, начиная от температуры окружающей среды уровней температуры, а также эффективность использования материалов. Скорость зависит формирование локальных температурных пиков можно наблюдать, с более высокими показателями, ведущие к все более и более равномерному распределению температуры. Кроме того, за счет увеличения скорости деформации изменение температуры в равной степени возрастает до адиабатических условий не достигаются. Материалом эффективность может быть определена путем расчета необходимой механической работы, основанной на сила-перемещение диаграммы адиабатического эксперимента, а также поглощаемого тепла, основываясь на среднем изменении температуры материала во время разгрузки и теплоемкость образца ,

Elastocaloric процесс охлаждения:

Исследование эффективность охлаждения СМА в условиях процесса требует теплопередачи между средой SMA охлаждения и источника тепла, а также в качестве теплоотвода. Для этой цели СЗФ находится в контакте с источником твердофазного тепла (после адиабатического разгрузки) и теплоотводом (после адиабатического нагрузки). Эффективность процесса сильно зависит от управления процессом и тепловых граничных условий. Всестороннее исследование процесса охлаждения требует изменения параметров управления для того, чтобы определить наиболее эффективный контроль над процессом. Индивидуальное влияние параметров (время контакта, напряжение SMA, SMA скорости деформации, контактная фаза (контакт во время погрузки / разгрузки фазы или ниже) и контактной силы) на производительность процесса должна быть исследована. Кроме того, влияние изменяющейся тепловой граничного условия за счет увеличения числа циклов охлаждения долженбыть приняты во внимание.

Модель проверки:

Разработка термомеханической связанной модели материала, способного воспроизводить механическую и термическую поведение материала во время цикла охлаждения, имеет решающее значение для развития новой технологии охлаждения. Модель учитывает материала и оптимизации процесса путем сокращения экспериментальных и материальных усилий в области развития. Проверка требует первоначального изотермического испытания на растяжение стабилизированного материала для создания необходимого ввода данных о механических материальных (модуль упругости аустенита и мартенсита фазы, ширина механического гистерезиса, а также напряжение трансформации). Проверка достоверности модели происходит на основе испытаний на растяжение при различных скоростях. Необходимые калорийность входные данные для модели могут быть определены с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) после механических экспериментов. Измерения DSC должны быть выполнены афтер механического испытания для того, чтобы измерить калорийности свойства материала стабилизированного образца.

протокол

1. Подготовка образцов

1. Измеряют ленту SMA с суппортами и определить поперечное сечение образца.
2. Подготовка образца для ИК-измерений путем нанесения на ленту с тонким слоем высокой излучательной способностью (ε = 0,96) краски.
   Внимание: краска классифицируется как раздражитель. Перчатки, защитные очки и средства защиты рта следует носить во время обработки краски.

2. Материал по стабилизации (обучение)

Примечание: Первичная механическая езда на велосипеде приводит к механической и термической стабилизации материала. Исследование эффекта стабилизации, а сама процедура подготовки, требует использования привода и датчиков, установленных на верхнем уровне испытательного стенда, а также ИК-камеры.

1. Запустить программу управления двигателем и проверить загруженные настройки. Изменение параметров режима позиционирования и командный режим. Убедитесь, что двигатель находится в активном режиме.
2. Sэт целевая позиция в программе контроллера двигателя до 0 мкм и нажмите на "операцию" включить кнопку - в этом положении расстояние между зажимами составляет 90 мм.
3. Поместите образец между зажимами экспериментальной установки и использовать специальный инструмент, предназначенный для выравнивания выравнивания образца.
4. Затянуть зажимы с помощью монтажного помощи для того, чтобы избежать изгиба нагрузки на динамометр и образца. Используйте динамометрический ключ для затяжки винтов, чтобы обеспечить воспроизводимое усилие зажима (момент затяжки: 20 Нм).
5. Проверьте текущее положение двигателя и убедитесь, что двигатель находится в начальной позиции (0 мкм).
6. Запустите программное обеспечение ИК-камеры и загрузите калибровки для 50-мм объектива в сочетании с приближающей линзой. Выберите размер изображения 1280 × 100 пикселей и диапазон температур от -20 ° C до 50 ° C. Установите камеру с помощью блока фокусировки двигателя и убедитесь, что весь образец находится в поле зрения камеры.
   Примечание: ИК-камера, в COMBINAции с выбранной системой линз, имеет фокусное расстояние (F) 50 мм, отверстие F / 2 и минимальным размером пикселя 60 мкм при рабочем расстоянии 200 мм.
7. Откройте программу управления для подготовки и материалов, характеристик и задать параметры управления (смещение, скорость, время выдержки, максимальное и минимальное усилие, количество циклов и частоты кадров камеры).
   1. Установите начальную позицию (0 мкм) и выбрать целевую позицию (4,500 мкм), так что материал подвергается полному фазовому превращению.
   2. Установите линейную скорость прямого привода (скорость загрузки / разгрузки) для достижения желаемых скорости деформации. Выберите скорость деформации 5 · 10 ^-4 (скорость привода 45 мкм / сек) с ^-1 для охлаждения подготовки , связанных с процессом.
      1. Определить линейную скорость прямой привод (V) в зависимости от выбранной скорости деформации ( ) И исходная длина образца (L ₀₎ 90 мм (у = ∙ л ₀₎
   3. Установите время удержания до 0 сек.
   4. Установите количество циклов в 1 для первого цикла с новым образцом.
   5. Установите минимум выборки конкретных и максимальный уровень силы, чтобы избежать сжимающей нагрузки и прочность на растяжение перегрузки (минимальная нагрузка 1 МПа, максимальная нагрузка 800 МПа).
   6. Выберите скорость ИК-камеры Приобретение 50 мс / кадра (20 кадров в секунду).
   7. Нажмите на кнопку Пуск, чтобы загрузить настройки.
8. Откройте программное обеспечение ИК-камеры, выберите имя файла и выделить 5000 кадров.
   1. Переход от внутреннего к внешнему источнику запуска и запуска режима сбора данных.
9. Откройте программу управления и нажмите кнопку запуска эксперимента.
10. визуализация данных
    1. После того, как эксперимент закончен, загрузить данные в программное обеспечение для обработки данных и визуализировать его с точки зрения силы / перемещения, стССГ / напряжение, сила / время и положение / временные диаграммы.
    2. Загрузить данные ИК в программное обеспечение ИК-камеры и оценки времени решены профили температуры. Определить область измерения, которая покрывает поверхность ленты SMA и участок средней максимальной и минимальной температуры образца в зависимости от времени.
11. Повторите шаги с 2,6 до 2,9, пока материал не показывает стабильное механическое поведение и адаптировать стартовую позицию для компенсации остаточных деформаций.
    1. После первых 10 циклов, увеличить количество циклов в эксперименте 10, и продолжить эксперименты, пока стабильное поведение материала не будет достигнуто.

3. Характеристика материалов

Примечание: Материал характеристика требует использования привода и датчиков, установленных на верхнем уровне испытательного стенда, а также ИК-камеры. Во время процедуры определения характеристик загрузки образца и выгружается при различных скоростях во время выполненияхолдинговая период после погрузки и разгрузки.

1. Если лента SMA была unclamped и система управления испытательного стенда был выключен после тренировки, повторите шаги 2.1 до 2.6 и зажать образец снова. Если бы это было не так, действуйте следующим образом.
2. Откройте программу управления для подготовки и материалов, характеристик и задать параметры управления (смещение, скорость, время выдержки, количество циклов и рамка камеры скорости).
   1. Установите стартовую позицию таким образом, что образец находится под нулевой нагрузкой и установить целевой положение, соответствующее заданному положению тренинга (4,500 мкм).
   2. Установите линейную скорость прямого привода (скорость загрузки / разгрузки) для достижения желаемых скорости деформации. Выбор скорости деформации 1 х 10 ^-1 с ^-1 (скорость исполнительного механизма 9000 мкм / сек) , что приводит к адиабатической фазового превращения для образцов с поперечным сечением 0,75 мм х 1,4 мм или больше.
   3. Установите время выдержки до 180 SEс, что достаточно для образца, чтобы достичь начального уровня температуры.
      Примечание: Время выдержки должно быть проверено после эксперимента путем расчета теплового время установления равновесия константа (Т) и время выдержки меньше 4 х τ должна быть увеличена до начала эксперимента следующей характеристике.
   4. Установить число циклов до 1.
   5. Установите минимум выборки конкретных и максимальный уровень силы, чтобы избежать сжимающей нагрузки и прочность на растяжение перегрузки (минимальная нагрузка 1 МПа, максимальная нагрузка 800 МПа).
   6. Выберите скорость ИК-камеры захвата от 5 мс / кадр (200 кадров в секунду).
   7. Нажмите на кнопку Пуск, чтобы загрузить настройки.
3. Откройте программное обеспечение ИК-камеры, выберите имя файла и выделить 80000 кадров.
   1. Переход от внутреннего к внешнему источнику запуска и запуска режима сбора данных.
4. Откройте программу управления и нажмите кнопку запуска эксперимента.
5. Загрузить данные в ИКИК-камера программного обеспечения. Участок средней максимальной и минимальной температуры образца в зависимости от времени. Экспорт данных и рассчитать время термической уравновешивания постоянной с программным обеспечением ^10,11 обработки данных.
6. Адаптировать время выдержки, при необходимости, на основе вычисленной постоянной времени тепловой уравновешивания.
7. Повторите шаги 3.2 до 3.5 , и изменения скорости деформации от 5 х 10 ^-5 с ^-1 до 1 × 10 ^-1 с ^-1, а также нагрузку от 2% до максимальной деформации 5% (максимальная деформация эквивалентна максимальное напряжение во время тренировки).
8. Исследование локальных температурных пиков:
   Примечание: Материал показывает скорость передачи зависящих от локализации эффекта elastocaloric эффекта. Тщательное изучение этих эффектов требует высокого разрешения специального температурного профиля SMA. С этой целью линза ИК-камера должна быть заменена с помощью микроскопа объективом. Микроскоп объектив имеет апертуру 3,0, кратным увеличением 1X и размером пикселя 15мкм на рабочем расстоянии 195 мм.
   1. Выключите свет, снимите все источники тепла из поля зрения ИК-камеры и смены объектива.
   2. Изменение параметров калибровки камеры и загрузить калибровки микроскопа объектива в диапазоне температур от 20 ° С до 50 ° С и размером изображения 500 х 250 пикселей. Используйте блок двигателя фокуса для фокусирования образца.
   3. Провести испытание на растяжение при скорости деформации 1 × 10 ^-1 с ^-1 (9000 мкм / сек), выполните действия , описанные в разделе 2: Материал стабилизации.
9. Визуализация данных
   1. Загрузите механические данные в программное обеспечение для обработки данных и визуализировать его с точки зрения силы / перемещения, напряжения / деформации, силы / времени и положения / временные диаграммы.
   2. Загрузить данные ИК в программное обеспечение ИК-камеры и оценки времени решены профили температуры. Определите область измерения, которая покрывает поверхность ленты SMA и сюжет средний максмума и минимальная температура образца в зависимости от времени.

4. Способ охлаждения Elastocaloric

Примечание: Исследование elastocaloric процессов охлаждения требует использования исполнительных механизмов и датчиков в верхнем и нижнем уровне установки, а также ИК-камеры. Эти эксперименты включают в себя изменение параметров управления для оптимизации производительности процесса.

1. Если лента SMA была unclamped и испытательный стенд был выключен после материала характеристики, повторите шаги 2.1 до 2.5 и зажать образец снова. Если бы это было не так, действуйте следующим образом.
2. Запустите программное обеспечение ИК-камеры и загрузите калибровки для 50-мм объектива с приближающей линзой. Выберите размер изображения 1280 х 1024 пикселей и диапазон температур от -20 ° C до 50 ° C. Установите камеру с помощью блока фокусировки двигателя и убедитесь в том, что весь образец находится в поле зрения камеры.
   Примечание: ИК-камера в сочетании с выбранной системой линз имеет фокусное расстояние (F) 50 мм, отверстие F / 2 и минимальным размером пикселя 60 мкм при рабочем расстоянии 200 мм.
3. Откройте программу управления для elastocaloric процессов охлаждения и установить управляющие параметры (смещение линейного прямого привода одного (верхнего уровня), скорость линейного прямого привода один и два, времени контакта, максимальное и минимальное усилие, контактной фазы, количество циклов и камеры частота кадров).
   1. Установить начальное положение линейного прямого привода для SMA погрузки и разгрузки, так что образец находится под нулевой нагрузкой и установить целевой положение, соответствующее заданному положению тренинга (4,500 мкм).
   2. Установите скорость (скорость загрузки / разгрузки) линейного прямого привода для погрузки и разгрузки SMA для удовлетворения скорости деформации 1 × 10 ^-1 с ^-1 (9000 мкм / сек). Установить скорость линейного прямого привода на нижнем уровне установки до 100мм / сек.
   3. Установите время контакта 6 сек.
      Примечание: Время контакта определяет длительность передачи тепла и может быть установлен на любое значение, превышающее 10 мс.
   4. Выберите контакт после режима загрузки / разгрузки.
      Примечание: фаза влияния контакта погрузка и разгрузка является ли адиабатический (контакт после погрузки / разгрузки) или в сочетании с передачей тепла к радиатору / источника (контакт во время погрузки / разгрузки).
   5. Установить число циклов до 40.
   6. Установите минимум выборки конкретных и максимальный уровень силы, чтобы избежать сжимающей нагрузки и прочность на растяжение перегрузки (минимальная нагрузка 1 МПа, максимальная нагрузка 800 МПа).
   7. Выберите скорость ИК-камеры захвата от 20 мс / кадра (50 кадров в секунду). Нажмите на кнопку Пуск, чтобы загрузить настройки.
4. Откройте программное обеспечение ИК-камеры, выберите имя файла и выделить 50000 кадров. Переход от внутреннего к внешнему источнику запуска и запуска режима сбора данных.
5. Откройте управления PROGRам и нажмите кнопку запуска эксперимента.
6. визуализация данных
   1. После того, как эксперимент завершен загрузки данных в программное обеспечение для обработки данных и визуализировать следующие данные: сила / смещение, напряжения / деформации, температуры / времени (температура теплоотвода / источника), сила / время, контактное усилие / времени и положения линейного пускатели / времени.
   2. Загрузить данные ИК в программное обеспечение ИК-камеры и оценки времени решены профили температуры. Определить три области, которые измерения покрывают поверхность образца SMA, а также поверхность радиатора и источник тепла. Экспорт, время решены средние, максимальные и минимальные данные температурные измерения определенных областей и загружать их в программное обеспечение для обработки данных.
   3. Визуализируйте данные ИК в температуры / временной диаграммы.
7. Повторите эксперимент при изменении параметров: напряжение, время контакта и контактной фазы.

5. Модель проверки

Примечание: Проверка достоверности термомеханически сопряженных моделей материалов требует экспериментов, прилипшие к материальной стабилизации или материальной характеристике. Используйте провод Ni-Ti с поперечным сечением 0,6 мм для проведения экспериментальных исследований.

1. Провести испытание на растяжение изотермический со скоростью деформации 5 · 10 ^-5 с ^-1 и деформации 5%, действуйте, выполнив шаги , описанные в разделе 2.
2. После того, как эксперимент закончен, загрузить данные в программное обеспечение для обработки данных и визуализации измерения напряжения / деформации. Вычислить модуль упругости аустенита и мартенсита фазы, напряжение преобразования, а также ширина гистерезиса. Вышеупомянутая функция данных как механические входные данные для модели ^7.
3. Выполните дальнейшие испытания на растяжение при скорости деформации 1 × 10 ^-4 с ^-1, 5 × 10 ^-4 сек ^-1, 1 × 10 ^-3 с ^-1, 5 × 10 ^-3 сек ^-1, 1 х 10 ^-2 сек ^-1, 5 × 10 ^-2 с ^-1, 1 × 10 ^-1 с ^-1 для генерации данных проверки для модели.
4. Если опыты завершены взять образец из тестовой системы и выполнить измерение дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) ¹⁸ для определения калорийности свойств материала (скрытой теплоты фазового превращения и удельной теплоемкости материала) стабилизированного материала.
   Примечание: Измерения DSC обеспечивают калорийность входные данные для термомеханически связанной модели.
5. Запустите моделирование испытаний на растяжение, описанных в пункте 5.3.
   1. Реализация собственной модели для сплавов с памятью формы в коммерчески доступного программного обеспечения конечных элементов:
      1. Выберите узел Geometry и выберите Интервал нарисовать 1D геометрии проволоки.
      2. Выберите Параметры узла для определения параметров модели , определенных от механических испытаний в STEр 5.2.
      3. Щелкните правой кнопкой мыши узел Определения и выберите Переменные для создания узла переменных. Выберите Переменные узла и определить алгоритм для определения вероятности перехода , полученные из статистической термодинамики ^19.
      4. Выберите Добавить физику и добавить коэффициент формы ФДЭ или Общий вид PDE , чтобы описать набор одномерных дифференциальных уравнений , описывающих поведение Эласта сплава с памятью формы, состоящий из стационарного баланса импульса, баланс внутренней энергии и кинетических уравнений фазового превращения ²⁰ ,
   2. Выбор начальных значений подузел для установки начальной температуры проволоки до температуры окружающей среды.
      1. Выберите граничным условием Дирихле прописать механические граничные условия для применения штамма следующей экспериментальной методике , описанной в разделе 2, для деформационного ставок в стEP 5.3, сдерживающие перемещение одного конца проволоки и предписывающих смещение другого конца.
      2. Выберите граничным условием Дирихле установить тепловые граничные условия для постоянной температуры из - за массивных зажимов по сравнению с тонкой проволокой.
         Примечание: Стандартные настройки программного обеспечения конечных элементов не приводит к решению сходящимся.
      3. Выберите суб-узлы Конфигурация Solver для изменения стандартных настроек (например, абсолютные и относительные допуски и коэффициент затухания нелинейной, итерационный Ньютона-Рафсона решателя) и нажмите кнопку "Compute" , чтобы запустить решатель.
6. Анализ данных
   1. Загрузите экспериментальные и моделирования результатов в программное обеспечение для анализа данных и визуализации механические и термические данные.
   2. Сравните экспериментальные и моделирования результатов, соответствующие механические (стресс / ответ деформации) и теплового (специальная эволюцию разрешенное температуры на стадииобразец) поведение материала.

Результаты

Стабилизация материала (обучение):

На рисунке 9 показана напряжения / деформации схема 50 тренировочных циклов. Исследуемый образец представляет собой Ni-Ti , лента с поперечным сечением A = 1,45 мм ^2. Применяемая скор?...

Обсуждение

Представленный научный испытательный стенд позволяет комплексное исследование elastocaloric материалов и процессов охлаждения при проведении экспериментов, описанных в разделе протокола. Точное выравнивание образца до зажима имеет решающее значение для всех экспериментов. Плохое выравн...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Linear direct drives	ESR-Pollmeier	ML 1418-U5-W1	SMA loading/unloading; heat transfer
Pneumatic cylinder	Festo	ADNGF-40 574031	Contact between heat source/sink and SMA
Inductive position measurement system	AMO	LMKA-1101.1NN-1.0-0
Tension and compression load cell	Futek	LCF451; FSH02241	SMA force
Compression load cell	Futek	LTH300; FSH00297	Contact force
IR camera	Infra Tec	Image IR 9360; M91129	1,280 x 1,024 pixels; Maximum frame rate 3,200 Hz
Real-Time Controller	National Instruments	NI CompactRIO-9074	Data acquisiton and control system
Camera varnish	Tetenal	105202