SMA
關注創建者：靜默的無線電 創建時間：2020-03-04
SMA的視頻教程
hfss 3d layout中導入SMA轉接頭仿真實例
hfss 3d layout是仿真高速PCB的利器，但是它的建模能力比較弱，像連接器、芯片封裝以及SMA轉接頭這樣的3d 結構，它是畫不了的，因此需要通過外部導入，本例子展示了如何導入一個垂直安裝的SMA轉接頭。
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ABAQUS中內置的SMA本構模型（無需UMAT）
采用文獻《用Auricchio ＆ Sacco 本構模型分析形狀記憶合金的力學性能》和《形狀記憶合金的細觀力學本構模型》中的數據、使用ABAQUS內置的SMA本構模型，詳細講解了各參數的含義，資料包括 文獻、PPT資料、視頻和inp文件。
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SMA的實例教程
今天的主題就是基于SMA 的可恢復性結構（今天所講的是基于NiTi的超彈SMA， 對于其他類可能不適合）。
先講我個人的觀點：如果SMA 材料作為節點，構件的強度和剛度的主要貢獻者，那么我們就會面對一個很嚴厲的質疑，這也是做基于SMA 韌性結構所要面對的問題：你的研究有工程價值么？其實，這些年我一直也在思考這個問題。SMA 風靡在結構抗震領域，大概是因為它具備以下兩點特點：1）基于應力驅動的奧氏體轉變馬氏體的超彈效應；2）因為材料晶格的微觀轉變導致材料在加載和卸載的路徑不重合，就是我們靜力學上稱之為靜力滯后（耗能能力），使得他非常適合于構造新型的韌性結構。當然SMA 自然也存在三大問題（個人認知的）;1) 成本問題，我始終認為這雖然是個現實個問題，但往往現實的問題才是bottleneck, 盡管很多學者做了傳統結構與自復位結構的全生命經濟的評估，試圖說服業主，但我相信這條路還很遠，也會很坎坷；2）奧氏體彈模低，需要通過預緊的方式彌補，如果無法施加預緊，剛度是個問題；3）材料的幾何變異性大，從SMA 絲，到棒，到板，到角鋼等等SMA的性能大不相同，說明SMA 的性能很敏感與加工工藝和構造，此外，對于同一種類型的SMA，如SMA 棒，隨著直徑的改變，性能的退化和變異性也很大，我們知道，在實際的工程中因為安裝空間的限制，我們勢必會優先使用大直徑的SMA，那么這種變異性如何考慮？我覺得同濟大學方成老師基于SMA cable 做的研究很有工程導向，避免的幾何變異性的問題。一句話，我們不可能說我們做的基于SMA 的構件或者節點所具備的性能，就一定是我們設計的真實結構所具備的性能。很簡單，就是你試驗得的節點性能是否可以推演到一個原型節點？
展開 一種可用于形狀記憶合金（SMA）的UMAT子程序 ￥29.99
1、 引言
形狀記憶合金（SMA）因具有形狀記憶效應和超彈性等獨特力學行為，在航空航天、生物醫學、智能結構等領域應用廣泛。然而，其力學響應涉及奧氏體 - 馬氏體相變的復雜耦合，傳統商用有限元軟件的內置材料模型難以精準描述。
本文提出的 UMAT 子程序（用戶自定義材料子程序）可有效模擬 SMA 的力學行為，核心優勢包括：
1) 支持自定義材料屬性，靈活適配不同類型 SMA（如 NiTi 合金）的相變特性；
2) 基于多尺度本構理論，可復現 SMA 的超彈性循環、形狀記憶效應等關鍵行為；
3) 與實驗數據對比顯示，力 - 位移曲線、應變分布等結果與文獻數據趨勢高度吻合，驗證了模型的可靠性。
2、 SAM理論基礎
SMA 的宏觀力學行為源于微觀尺度的奧氏體 - 馬氏體相變，其理論框架需融合相變熱力學、動力學及多尺度耦合機制。本 UMAT 子程序主要基于以下理論基礎：
1. 相變熱力學
SMA 的相變過程（奧氏體→馬氏體為正向相變，反之為反向相變）由熱力學驅動力控制。當應力或溫度達到臨界值時，相變啟動，伴隨自由能變化。核心變量包括：
1) 馬氏體體積分數（tfv）：描述相變程度的關鍵狀態變量，取值范圍為 0（全奧氏體）到 1（全馬氏體）；
2) 相變臨界應力：正向相變（σ_f）和反向相變（σ_s）的應力閾值，隨溫度和應變率變化；
3) 相變應變：相變引起的非彈性應變，與馬氏體體積分數直接相關。
2.
展開 該示例問題提出了兩種形狀記憶合金（SMA）模擬：脊柱間隔植入物和彈簧致動器。
突出顯示了以下特性和功能：
• 使用馬氏體和奧氏體（鎳鈦化合物）的SMA材料模型
• 熱載荷下的SMA行為
介紹
形狀記憶合金（SMA）是一種材料，在經受機械加載/卸載循環之后，能夠經受大變形而不顯示殘余應變（偽彈性），或者能夠通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。
偽彈性和形狀記憶效應是材料特性，特別適用于航空、生物醫學和結構工程應用。盡管SMA材料分析和設計已經取得了很大進展，但由于高度非線性的滯后轉變、材料退化和熱機械疲勞，精確控制SMA仍然存在許多挑戰。有限元分析已廣泛用于模擬SMA材料，并為設計使用SMA材料的產品提供了有價值的工具。
SMA相變理論
二階張量被定義為測量與相變相關的應變的轉換應變：
其中是完全變換后的相變中的范數的最大值。
因此，應力以應變表示：
在相變過程中，相變應力定義為：
其中是室溫T和材料相關溫度T0的正單調遞增函數，低于該溫度時，不會出現孿晶馬氏體。β是一個重要參數。材料參數h與相變中材料的硬化有關。
的演化方程如下：
其中，極限函數F根據轉換應力和彈性域半徑R以Prager型極限函數的形式給出：
其中：
因此，相變的控制方程表示為：
除了馬氏體和奧氏體的楊氏模量和泊松比外，還定義了其他六個參數：M、R、h、T0、β和。
SMA熱效應模擬
脊椎間隔器通過SOLID187單元模擬，彈簧致動器通過BEAM188和SOLID185單元模擬。
展開 【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經過多道工序制成的絲，我們簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。
相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動技術目前已經在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。
本文通過分享、普及鈦絲驅動技術的可靠性設計，方便大家在機械電子工業設計等領域快速有效的轉化為科技成果。
第3節 響應時間的設計
前一章我們提到，有很多產品，是需要我們做一些機械結構設計去優化和匹配產品的需求。什么情況下需要做結構設計？如何做結構設計？包括結構設計對鈦絲的驅動的可靠性有哪些影響？本節我們就來說一說驅動鈦絲的響應時間的設計。
1、驅動鈦絲響應時間的設計
我們知道，最簡單的直線驅動鈦絲的響應時間，是可以通過《驅動鈦絲（SMA）基礎參數計算模型》（以下簡稱SMA基礎模型）匹配出來的，以常用的0.15線徑的鈦絲為例，假設我們需要的響應時間是0.5s，位移量是5%，鈦絲從20°加熱到100°所做的熱功量，根據SMA基礎模型表4，計算出驅動電流是581mA。
如果將響應時間調整至0.1s，位移不變，這個時候我們發現需要的驅動電流和電壓多了1倍以上，但有時產品的供電系統為了節能的需要，往往無法提供這么高的電流。
這個時候，我們就需要采用《驅動鈦絲（SMA）常見10大結構模型》中的三角函數驅動結構，這個結構利用了杠桿原理，可以在較小的電流下獲得更好的響應時間和位移。
展開 這個時候，我們就需要采用《驅動鈦絲（SMA）常見10大結構模型》中的U型驅動結構，這個結構可以獲得2倍于原鈦絲的驅動力。
7、驅動機構失效的可恢復設計
某鈦絲驅動的產品在投入使用過程中，存在一個過大的偶發性外在因素帶來的阻力Fnn，該阻力遠超出鈦絲驅動力，且可能導致鈦絲驅動結構損壞，這時我們需要設置一個隔離機構，用來保證驅動機構不會被損壞，當這個外在因素帶來的阻力Fnn撤銷后，驅動機構能夠正常完成驅動。
例如：當你要打開門，結果門被強制外力擠壓打不開，當強制外力撤銷后，門還能夠繼續打開。
這種情況下，我們可以采用《驅動鈦絲（SMA）常見10大結構模型》中的U型隔離驅動：
這個驅動機構的鈦絲驅動部件和執行部件采用了驅動分離，這樣就可以保護鈦絲驅動機構不會因突發外力過大導致損壞。
力量設計還有更多靈活的運用，本文限于篇幅，先說到這里。回顧前文1-3節所述，在做好鈦絲的產品選擇、選型和適配及時間設計的基礎上，做好力量設計，是驅動鈦絲的可靠性設計的前提和保障。
后續我們將會進一步講到驅動鈦絲結構設計的位移、空間、接觸、模具以及電路設計、生產工藝控制等要點，歡迎各位持續關注。
為了讓驅動鈦絲在工業應用中切實落地，我們制作了包括《財哥說鈦絲》、《驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計》、《SMA基礎參數計算模型》、《SMA常見10大結構模型》等系列視頻和文章供大家參考，歡迎大家的關注和交流，請點贊收藏！
鈦絲科技 出 品
作者 財哥說鈦絲
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SMA的最新內容
形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1.
鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
形狀記憶合金（SMA）能夠在發生大變形后不產生殘余應變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復（形狀記憶效應）。偽彈性和形狀記憶效應使其特別適用于航空航天、生物醫學和結構工程等領域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1.
鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動應用案例（NiTiDrivetech）
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動應用案例（NiTiDrivetech）
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。
該文件在abaqus安裝目錄SIMULIA\EstProducts\2025\win_b64\SMA\site中。這一點其他教程中也有提及。
