記憶材料
關(guān)注創(chuàng)建者：果凍啊 創(chuàng)建時(shí)間：2019-01-15
記憶材料的視頻教程
Abaqus材料模型-形狀記憶合金彈性本構(gòu)
一、視頻內(nèi)容介紹 二、形狀記憶合金彈性本構(gòu)理論 三、ABAQUS中形狀記憶合金彈性本構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法 四、形狀記憶合金仿真案例
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Workbench形狀記憶合金案例和視頻
采用workbench做記憶合金梁結(jié)構(gòu)的分析，附件包含視頻文件和案例源文件。主要介紹內(nèi)容如下： 記憶合金材料屬性 材料參數(shù)輸入介紹（發(fā)生塑性變形） 網(wǎng)格劃分 約束和載荷添加 后處理，結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀
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記憶材料的實(shí)例教程
例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松團(tuán)隊(duì)——形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。
下面是現(xiàn)場(chǎng)速記，南極熊希望可以很好還原其項(xiàng)目路演過程。
形狀記憶聚合材料及其4D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用
——哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松
冷勁松：
團(tuán)隊(duì)組成
首先介紹一下我本人和我的團(tuán)隊(duì)，今年剛剛當(dāng)選歐洲科學(xué)院院士，歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士，我們團(tuán)隊(duì)哈工大老師7、8個(gè)人。匯報(bào)一下4D打印技術(shù)，什么是4D打印呢？咱們大賽是3D打印，3D就是打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，4D打印完結(jié)構(gòu)可以變形。
形狀記憶材料
普通的結(jié)構(gòu)，打印之后可以改變結(jié)構(gòu)的形狀，美國(guó)科學(xué)家2013年提出來，比如說穿了一個(gè)裙子，你打印的裙子跟我的裙子看著一樣，我加一個(gè)電磁光熱可以變形，裙子格變形不撞衫。
什么是形狀記憶材料，這種材料看這個(gè)花，加熱自己可以變形，放在水里可以變形，搞生物醫(yī)學(xué)都知道，這是聚合物，像高分子、聚乳酸都是，但是我們的材料跟普通聚合物不一樣，你給一個(gè)熱，這個(gè)熱有一個(gè)溫度，到這個(gè)溫度可以變形，跟記憶合金一樣但是是高分子可以降解。
這個(gè)聚合物軟硬能夠變化，到了轉(zhuǎn)變溫度材料變形，同時(shí)低于轉(zhuǎn)變溫度材料是硬的，高于轉(zhuǎn)變溫度材料變軟，材料本身模量在高低溫作用下變化200倍，材料兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)變形一個(gè)變軟硬。
這個(gè)材料怎么變形呢？簡(jiǎn)單放在熱水里面，也可以通電變形，我們可以用光照變形，用磁場(chǎng)和射頻變形，光電磁熱溶液，在不同溶液里面變形，都可以改變形狀。
我們把這個(gè)材料做成打印線，這是國(guó)際上首次，這個(gè)線是純的，可以用熱驅(qū)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)，這個(gè)材料跟傳統(tǒng)的線是一樣的，但是打出來的結(jié)構(gòu)表面看一樣，一加熱就變形，在磁場(chǎng)變形、通電也可以變形，這個(gè)材料能夠按照你的需要形狀改變形狀，通過電磁光熱材料打印。
你看這是什么形狀？認(rèn)不出來，在水里面自己張開是一個(gè)金門大橋的形狀。
展開 進(jìn)入正題
簡(jiǎn)言之，本文主要講解了12種常見的非線性材料在ANSYS中定義和使用。文后給出了具體的使用命令流。這里以記憶合金為例子進(jìn)行一次單軸拉伸模擬，來求解記憶合金的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
計(jì)算結(jié)果
記憶合金的本構(gòu)關(guān)系：
模型建立
針對(duì)以下圖例所示模型，邊長(zhǎng)L的正方形塊，約束左邊的X自由度和底部的Y自由度，在頂部施加均勻壓力載荷。這樣一個(gè)單軸拉伸模擬可以用平面單元建立，也可以用實(shí)體單元建立，區(qū)別不大。
材料參數(shù)
非線性材料的使用的關(guān)鍵是材料的定義，ANSYS中提供了多種非線性材料本構(gòu)模型，包括：各向異性超彈性材料模型、鑄鐵材料模型、塑性材料模型、復(fù)合材料模型、流體材料模型、泡沫材料模型、混泥土材料模型定義、粘塑性材料模型、粘彈性材料模型、內(nèi)聚力模型、多重彈性材料、壓電材料模型、形狀記憶合金材料模型、顯示彈簧阻尼材料模型、各向異性彈性矩陣定義、各項(xiàng)異性塑性材料模型、雙線性各向異性硬化模型、雙線性隨動(dòng)硬化模型、各向異性導(dǎo)電性模型、各向異性導(dǎo)磁性模型、各向異性電極化模型、墊片材料模型、蜂窩材料模型、超彈性材料模型、膨脹參數(shù)模型等，還有很多較復(fù)雜的材料本構(gòu)模型以及可以用戶自定義材料本構(gòu)模型。
以記憶合金為例子具體介紹，記憶合金材料的定義除了定義基本彈性模量參數(shù)和泊松比參數(shù)，關(guān)鍵是定義記憶合金的本構(gòu)關(guān)系。如圖給出記憶合金的本構(gòu)關(guān)系，因此記憶合金的使用，還需要定義圖中的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
了解了記憶合金的本構(gòu)關(guān)系，具體的定義其實(shí)很簡(jiǎn)單，如下命令流中
TB
,
SMA
,1 ：定義1號(hào)材料為記憶合金本構(gòu)模型
此后，需要通過TBDATA指定記憶合金本構(gòu)關(guān)系中的幾何參數(shù)，依次為：
TBDATA,1,520,600,300,200,0.07,0 !
展開 2018年，活性材料和結(jié)構(gòu)成為全球的研究熱點(diǎn)，形狀記憶材料技術(shù)逐步成熟。
關(guān)于活性材料研發(fā)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在1月份首次展示了一種新的形狀記憶聚合物，通過增材制造，可以得到在交變磁場(chǎng)的遠(yuǎn)程作用下表現(xiàn)出自展開行為的零部件。
在美國(guó)陸軍資助下，亞利桑那州立大學(xué)的研究人員今年推進(jìn)了新型力敏感單元（力敏團(tuán)，mechanophore）材料的研發(fā)，這些材料在機(jī)械載荷下可改變顏色，從而對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)。今年年初，該團(tuán)隊(duì)使用力敏團(tuán)材料對(duì)復(fù)合材料樣品進(jìn)行了疲勞載荷下的損傷監(jiān)測(cè)演示，試驗(yàn)表明，該力敏團(tuán)材料能夠達(dá)到預(yù)期的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)效果。
在美國(guó)海軍資助下，中佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員提出了一種使用機(jī)電耦合材料消除結(jié)構(gòu)共振的方法。2018年底，研究團(tuán)隊(duì)在葉盤結(jié)構(gòu)上對(duì)該方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該方法通過有效減少多種振動(dòng)模式中的有害振動(dòng)，減少與葉片高周疲勞和故障失效相關(guān)的維護(hù)、修理和大修成本。
美國(guó)空軍研究人員開發(fā)了一種液晶彈性體材料，在一定條件下，該材料可以從平面狀態(tài)變形產(chǎn)生三維形貌。研究團(tuán)隊(duì)使用高保真度模型對(duì)產(chǎn)生有利表面拓?fù)涮卣鞯膹?fù)雜材料平面圖進(jìn)行仿真，并且在3月份完成了實(shí)際壓力載荷下的風(fēng)洞試驗(yàn)。該材料可用于制造渦流發(fā)生器和分布式粗糙元件，從而能夠在一系列飛行條件下減小阻力并增加穩(wěn)定性和可控性。
使用活性材料，特別是固態(tài)、堅(jiān)硬、高度緊湊型的形狀記憶合金（SMA）組件，改進(jìn)傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)方法，也是2018年的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)需要更換多個(gè)固定零部件，但遠(yuǎn)程控制的風(fēng)洞模型可使用移動(dòng)、可控結(jié)構(gòu)取代這些幾乎剛性的零部件，從而提高試驗(yàn)效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，并降低風(fēng)洞試驗(yàn)的成本。
展開 近紅外光響應(yīng)形狀記憶聚合物因其遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢(shì)在光驅(qū)動(dòng)器、光控微流體器件及生物醫(yī)學(xué)裝置等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。目前制備近紅外光響應(yīng)形狀記憶聚合物的常用方法是將貴金屬納米顆粒等光熱轉(zhuǎn)化材料引入熱響應(yīng)形狀記憶聚合物，但為了提高光熱材料在聚合物中的相容性一般需要采用表面改性、原位接枝等手段。同時(shí)傳統(tǒng)的貴金屬納米顆粒或石墨烯等材料均涉及復(fù)雜的合成過程，這些因素的存在會(huì)大大提高材料制備的難度和成本。因此如何通過一種簡(jiǎn)單易行的手段制備近紅外響應(yīng)形狀記憶材料仍是目前該研究的一個(gè)難點(diǎn)。
在生活中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)蘋果或梨用鐵刀切了以后，表面會(huì)變黑。這是由于蘋果或梨等水果的細(xì)胞里含有單寧酸，單寧酸與鐵離子化合會(huì)生成黑色的單寧酸鐵納米顆粒，而該納米顆粒則具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化性能。受此啟發(fā)，西安交通大學(xué)化工學(xué)院陳鑫教授/白永康副教授課題組采用原位生成的方法將單寧酸鐵納米顆粒（FeTA）引入固態(tài)的熱響應(yīng)形狀聚合物中。他們首先采用商業(yè)化的乙烯-乙烯醇共聚物作為聚合物基底，通過二異氰酸酯交聯(lián)得到熱響應(yīng)形狀記憶聚合物，并在此過程中引入鐵離子。然后，只要簡(jiǎn)單的將所制備的固態(tài)薄膜浸入單寧酸溶液中，即可制備具有高光熱響應(yīng)性能的形狀記憶復(fù)合材料。
圖 1 （a）和（b）復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)化性能；（c）和（d）復(fù)合材料近紅外光響應(yīng)形狀記憶行為
通過對(duì)復(fù)合材料微觀形貌、機(jī)械性能、光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)等性能的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eTA納米顆粒能夠均勻地分散在聚合物基底中，使得材料不僅能夠體現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的光響應(yīng)形狀記憶性能。
展開 用形狀記憶合金加工成內(nèi)徑比欲連接管的外徑小4%的套管，然后在液氮溫度下將套管擴(kuò)徑約8%，裝配時(shí)將這種套管從液氮取出，把欲連接的管子從兩端插入。當(dāng)溫度升高至常溫時(shí)，套管收縮即形成緊固密封。這種連接方式接觸緊密能防滲漏，遠(yuǎn)勝于焊接，特別適合用于航空、航天、核工業(yè)及海底輸油管道等危險(xiǎn)場(chǎng)合。
記憶合金的用處
記憶合金最令人鼓舞的應(yīng)用是在航天技術(shù)中。1969年7月20日，“阿波羅”11號(hào)登月艙在月球著陸，實(shí)現(xiàn)了人類第一次登月旅行的夢(mèng)想。宇航員登月后，在月球上放置了一個(gè)半球形的直徑數(shù)米的天線，用以向地球發(fā)送和接受信息。天線就是用當(dāng)時(shí)剛剛發(fā)明不久的記憶合金制成的。用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放到月球上以后，在陽光照射下溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，天線恢復(fù)成了自己的本來面貌，變成一個(gè)巨大的半球形。
除了航空業(yè)，形狀記憶合金已廣泛用于醫(yī)學(xué)和生活各個(gè)領(lǐng)域。作為一類新興的功能材料，很多新用途正不斷被開發(fā)，例如用記憶合金制作的眼鏡架，如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀；不久的將來，汽車的外殼也可以用記憶合金制作，不小心碰癟了，只要用電吹風(fēng)加溫就可恢復(fù)原狀。
目前世界上已經(jīng)有銅鋅、金鎘、鎳鋁等20多種具有記憶功能的合金，不僅單次“記憶”能力幾乎可達(dá)到百分之百，即恢復(fù)到和原來一模一樣的形狀，更可貴的是，這種“記憶”本領(lǐng)即使施展500萬次以上也不會(huì)導(dǎo)致材料斷裂。
來源：北京市科協(xié)
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記憶材料的最新內(nèi)容
Ansys | 基于熱效應(yīng)的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析13小時(shí)前
定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導(dǎo)入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對(duì)稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對(duì)幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設(shè)置和邊界條件。共創(chuàng)建六個(gè)分析步。
這保證了材料“記憶”的連續(xù)性。同時(shí)論文采用了應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的自協(xié)調(diào)迭代，并引入了兩級(jí)并行計(jì)算（MPI + OpenMP），這在 2026 年依然是非常經(jīng)典的設(shè)計(jì)。
作者成功捕捉到了 ARB 厚度方向上的織構(gòu)梯度（中心 S 組分與表面剪切組分）。
定義形狀記憶合金的材料屬性（表 1）。
表 1. 脊柱間隔器材料屬性
2、導(dǎo)入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對(duì)稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對(duì)幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設(shè)置和邊界條件。共創(chuàng)建六個(gè)分析步。
材料非線性
非線性彈性
超彈性 (橡膠彈性)
粘彈性
蠕變
溫度相關(guān)屬性
復(fù)合材料
形狀記憶合金材料
墊片材料
客戶化定義
用戶定義的服務(wù) （UDS） 功能為用戶提供了一種機(jī)制，在 MSC Nastran 中利用客戶的自定義子程序。
材料非線性
非線性彈性
超彈性 (橡膠彈性)
粘彈性
蠕變
溫度相關(guān)屬性
復(fù)合材料
形狀記憶合金材料
墊片材料
客戶化定義
用戶定義的服務(wù) （UDS） 功能為用戶提供了一種機(jī)制，在 MSC Nastran 中利用客戶的自定義子程序。
此外，在概念驗(yàn)證研究中，CPI氣凝膠織物可以與形狀記憶材料集成，構(gòu)建智能熱管理織物，用于個(gè)人熱管理。我們的研究為開發(fā)氣凝膠纖維和紡織品提供了一種可擴(kuò)展的生產(chǎn)方法，以滿足先進(jìn)的應(yīng)用場(chǎng)景。
例如，形狀記憶材料(SMMs)包括聚合物、陶瓷、合金等，可以在刺激下從程序結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始結(jié)構(gòu)，在柔性電子、軟機(jī)器人、4D打印等領(lǐng)域顯示出巨大的潛力；液晶彈性體(LCEs)是一類著名的刺激響應(yīng)聚合物，通過其輕微交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)具有大而可逆的構(gòu)型變化，在機(jī)器人、微流體、光學(xué)和能源領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
偽彈性和形狀記憶效應(yīng)是材料特性，特別適用于航空、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用。盡管SMA材料分析和設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，但由于高度非線性的滯后轉(zhuǎn)變、材料退化和熱機(jī)械疲勞，精確控制SMA仍然存在許多挑戰(zhàn)。有限元分析已廣泛用于模擬SMA材料，并為設(shè)計(jì)使用SMA材料的產(chǎn)品提供了有價(jià)值的工具。
雖然支架通常使用鎳鈦記憶合金材料，鎳鈦記憶合金的材料非線性需要單獨(dú)的討論，為了演示該問題的建模方法，模型中使用線彈性材料316L鋼替代。
形狀記憶合金材本構(gòu)（超彈性），在醫(yī)療器械經(jīng)常使用較多的形狀記憶合金材料，比如血管支架大多采用鎳鈦合金，其利用了材料的超彈性性質(zhì)，如下圖是典型的超彈性形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中ODAB為加載階段，BCD為卸載階段，可見該材料在加載產(chǎn)生較大的應(yīng)變后完全卸載后并沒有產(chǎn)生塑性殘余應(yīng)變，是完全彈性的，在AB段存在一個(gè)較大的平臺(tái)應(yīng)力，正是該過程賦予了其較大的彈性應(yīng)變。
