Simultaneous use of shape memory alloys and permanent magnets in multistable smart structures for morphing aircraft applications

Abstract

This Thesis considers the simultaneous use of shape memory alloys and permanent magnets for achieving multistable smart structures aiming towards morphing applications. Motivation for this approach lies in the poor energetic efficiency of shape memory alloys, which can void system-level benefits provided by morphing technologies. Multistability can therefore be adopted to prevent continuous operation of shape memory alloy actuators. Objectives of the study involve the combination of shape memory alloys and permanent magnets in new geometrical arrangements to achieve multistable behavior; the development of a numerical modeling procedure that is able to simulate the multi-physics nature of the studied systems; and the proposal of a geometric arrangement for morphing applications that is based on a repeating pattern of unit cells which incorporate the combined use of shape memory alloy wires and permanent magnets for multistability. The proposed modeling strategy considers a geometrically nonlinear beam finite element; a thermo-mechanical constitutive behavior for shapememoryalloys;theinteractionofcuboidalpermanentmagnetswitharbitraryorienta- tions; and node-to-element contact. Experiments are performed with three distinct systems, including a proof-of-concept beam, a three cell morphing beam metastructure, and a morphing airfoil prototype with six unit cells. Results show that the combination of shape memory alloys and permanent magnets indeed allows for multistable behavior. Furthermore, the dis- tributedactuationcapabilitiesofthe morphingmetastructureallowforsmoothandlocalized geometrical shape changes.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoTese (Doutorado)Esta Tese considera o uso simultâneo de ligas com memória de forma e ímãs permanentes para a obtenção de estruturas inteligentes multiestáveis, com vistas a sua aplicação em aeronaves de geometria variável. A motivação para tal abordagem reside na baixa eficiência energética associada às ligas com memória de forma, a qual pode eliminar benefícios oriundos de tecnologias relacionadas a geometria variável. Multiestabilidade pode, desta forma, ser adotada para prevenir operação contínua de atuadores baseados em ligas com memória de forma. Objetivos do estudo envolvem a combinação de ligas com memória de forma e ímãs permanentes em novos arranjos geométricos para a obtenção de comportamento multiestável; o desenvolvimento de um procedimento de modelagem numérica que pode simular a natureza multifísica dos sistemas estudados; e a proposição de um arranjo geométrico para aplicações que envolvem geometria variável, o qual é baseado num padrão repetitivo de células unitárias que incorporam o uso combinado de ligas com memória de forma e ímãs permanentes para mul- tiestabilidade. A estratégia de modelagem proposta considera um elemento finito de viga com não-linearidades geométricas; um modelo constitutivo termomecânico para ligas com memória de forma; a interação entre ímãs permanentes cúbicos com orientação arbitrária; e contato entre elemento-e-nó no contexto de elementos finitos. Experimentos são realizados com três sistemas distintos, incluindo uma viga para prova de conceito, uma metaestrutura do tipo viga com geometria variável composta por três células unitárias, e um protótipo de aerofólio com geometria variável composto por seis células unitárias. Resultados mostram que a combinação de ligas com memória de forma e ímãs permanentes permite a obtenção de comportamento multiestável. Além disso, a característica de atuação distribuída das metaestruturas com geometria variável permite alterações de forma suaves e localizadas