ANÁLISE DINÂMICA DE SISTEMAS MECÂNICOS ENVOLVENDO LIGAS MAGNÉTICAS COM MEMÓRIA DE FORMA

Abstract

Magnetic shape memory alloys (MSMAs) belong to a class of smart materials that can exhibit strain when subjected to a magneto-mechanical loading, as a result of the martensite variant reorientation process. Among their main advantages is the capacity for high-frequency actuation, which enables dynamic applications. The dynamic of mechanical systems involving elements of such material is not explored in the literature. The present work objective is to analyze the nonlinear dynamics of a single-degree-of-freedom non-linear mechanical system driven by MSMA elements. Different responses are explored, related to distinct parameters, such as forcing frequency and magnetic field. The constitutive modeling considers the phenomenological model proposed by Shirani and Kadkhodaei (2014). The dynamic system is integrated using the operator split technique. The dynamic behavior of the system is explored for three different bias magnetic field levels, inside a forcing frequency range. The results demonstrate the capacity to modify the system's response through the application of different bias magnetic field values, as a consequence of the hysteretic variant reorientation process. The application of a bias magnetic field is associated with a more complex dynamic response, modifying the oscillation period and even achieving a chaotic-like behavior. Furthermore, one can observe that the mean displacement, i.e., the average position, of the system could be considerably reduced. This strategy could be employed to mitigate a system’s vibration, and the results show that there is an optimum bias magnetic field for this matter, which could be different than the maximum applied field. Therefore, the numeric simulations corroborate the potential use of MSMAs for actuation purposes in dynamic systems.

Ligas magnéticas com memória de forma (MSMAs) pertencem a uma classe de materiais inteligentes com a capacidade de apresentar deformações a partir de carregamentos magneto-mecânicos devido ao processo de reorientação de variantes de martensita. Dentre suas principais características está a capacidade de responder a altas frequências de atuação por serem induzidas por campos magnéticos o que possibilita aplicações dinâmicas. A dinâmica de sistemas mecânicos envolvendo elementos desses materiais não é extensamente explorada na literatura. O presente trabalho tem como objetivo analisar a dinâmica a anão-linear de um sistema mecânico com um grau de liberdade acionado por elementos de MSMA. Exploram-se diferentes condições de resposta envolvendo diferentes parâmetros como frequência de forçamento e distintos níveis de campo magnético. A modelagem constitutiva das MSMAs considera o modelo fenomenológico proposto por Shirani e Kadkhodaei (2014). O sistema dinâmico é integrado utilizando a técnica de partição do operador. O comportamento dinâmico do sistema é explorado para três níveis distintos de campo magnético constante, dentro de um intervalo de frequência de forçamento. Os resultados mostram a capacidade de modificação da resposta do sistema com a aplicação de distintos valores de campos magnéticos, devido ao processo histerético de reorientação de variantes martensíticas. A aplicação do campo magnético está associada a respostas dinâmicas mais complexas, modificando a periodicidade dos movimentos e até obtendo comportamento tipo caótico. Além disso, é possível observar que o movimento médio do sistema, ou seja, a média das posições que o sistema frequenta ao longo do tempo, pode ser reduzido de forma significativa. Essa estratégia pode ser empregada para atenuação de vibrações e os resultados mostram que existe um valor ótimo de campo magnético para otimizar essa atenuação que não necessariamente corresponde ao valor máximo do campo magnético aplicado. Desta forma, as simulações numéricas corroboram o uso potencial de MSMAs com fins de atuação em sistemas dinâmicos.