SMA的案例
【一點科研筆記】基于SMA的自復位結構的一點思考
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？
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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 案例40-具有熱效應的形狀記憶合金（SMA）
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 驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（3）響應時間的設計
響應時間的設計
【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 
驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（4）力量設計
力量設計
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！
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展開 驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（8）鈦絲的驅動電路控制（上）
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驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（6）溫度控制
（這個問題我們后面會在電路設計和軟件控制中講解）
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《驅動鈦絲（SMA）計算模型》
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驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（10）供電線路材料的影響和選擇
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驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（7）接觸面設計
接觸面設計
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驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（1）鈦絲的選型和適配
鈦絲的選型和適配
我們整理了一套《驅動鈦絲（SMA）基礎參數計算模型》（簡稱SMA基礎模型），這個計算模型基于市面上常用的鈦絲型號，通過熱功方程、電阻定律、焦耳定律、金屬材料力學公式，模擬了鈦絲在常溫下直線驅動所需的熱量、電流、響應時間、位移、收縮應力等基礎參數的關系。
《表1鈦絲位移形變熱功方程模擬計算表》
《表2鈦絲電阻計算表》
《表3鈦絲直線位移響應時間/電流關系計算表》
《表4鈦絲直線位移響應時間/電流基礎參數表》
《表5鈦絲通電加熱收縮力計算表》
大家只要掌握了上述計算模型表，基本就能做好鈦絲的選型和適配了。
另外大家也不要擔心，上述表看著比較多，其實全部都是用的初中物理知識，非常容易掌握。
結束語
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展開 驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（9）鈦絲的驅動電路控制（下）
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驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（5）位移設計
位移設計
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02驅動鈦絲（SMA）的應用（2）鏡頭光圈
驅動鈦絲（SMA）的應用（2）鏡頭光圈模組案例
【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2節 【鏡頭光圈模組】
今天應某位粉絲大佬要求特別定制一節，講講鏡頭光圈的設計案例、驅動思路和注意事項。
由于結構設計部分涉及到很多專利技術方面的問題，財哥不做具體分析。本節內容主要在驅動方案層面，提供一種設計思路，但不一定是市場主流設計思路。僅代表財哥個人觀點，供大家學習參考。
【模組系統組成】
SMA驅動技術應用在鏡頭光圈模組由驅動機構和驅動電路組成，驅動電路可以獨立集成在模組本體，亦可集成在主體的PCBA部分。
【驅動機構特性】
市面上現有的鏡頭光圈模組的驅動驅動機構一般采用偶數根鈦絲來驅動，這是為了考慮到運動力學的平衡性，使得機械光圈部分的開合過程更加的穩定流暢。當然也有單根鈦絲來驅動，這里暫不做說明。
財哥找到某公司的一款產品的結構案例圖片來展示，它采用2根鈦絲作為光圈的驅動動力源的在結構上做對稱性設計。
【驅動電路】
驅動電路方案可以有多種方式，最優解決方案是根據產品原有的PCBA和供電系統做兼容性的設計。
其核心原理就是通過系統控制，使得供電系統驅動兩根串聯起來的鈦絲，讓其同時做位移定位驅動。
展開 驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計（2）不同廠家生產的鈦絲有什么區別
不同廠家生產的鈦絲有什么區別
如果各位通過這兩個方面，仍無法滿足自己產品的設計條件，我們還需要通過鈦絲機械結構設計去優化和匹配產品的需求，這也是下一章我們將要講的內容，后續我們將會闡述結構設計對產品可靠性的影響，并設計了《驅動鈦絲（SMA）常見10大結構模型》。
結束語
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》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！
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形狀記憶合金的本構模型及有限元仿真 ￥30
序言： SMA本構模型是對SMA在不同溫度下應力-應變關系的描述。不同于一般的工程材料，在不同環境下，SMA的力學性能差異很大，很難用一個統一的本構模型來表現其所有的力學行為。因此，需要根據SMA表現得主要力學特征，選擇合適的、精度高的本構模型來描述SMA。有針對性的開發SMA本構模型可以降低建模難度，提高計算精度和效率，易于工程推廣。為了利用ABAQUS對SMA進行三維的仿真分析，許多學者進行了UMAT編程，將SMA三維本構嵌入ABAQUS中，實現了對SMA構件的有限元分析。常用的仿真軟件ANSYS和ABAQUS中包含了SMA的本構模型，采用基于Auricchio的多線性簡化模型，能簡單仿真基本的超彈性性能，但無法模擬預應變以及復雜且精確的本構模型，于是許多學者對SMA的數值模型進行開發，如基于有限應變的Jaber三維SMA本構模型、Lagoudas的統一本構模型等等。本貼先介紹了SMA的形狀記憶效益和超彈性的相變與力學過程，然后采用分別采用ANSYS自帶本構、ABAQUS自帶本構、Jaber三維SMA本構模型的UMAT、Lagoudas統一本構模型的UMAT進行對比分析，最后針對不同仿真需求給出相應的SMA本構推薦。
SMA是一類智能合金，具有多種特殊的性能。SMA有兩種主要的相：一種是低溫和高應力下穩定的馬氏體相，另一種是在高溫、低應力下穩定的奧氏體相。奧氏體相是SMA的母相，一般具有立方晶體結構。馬氏體具有較低的有序晶體結構按照晶向的不同存在兩種形式：孿晶馬氏體和非孿晶馬氏體。圖1-1為Ni-Ti SMA不同相的晶體結構示意圖，圖中的紅點表示Ni原子，白點表示Ti原子。SMA的主要特征是馬氏體與奧氏體之間的可逆相變，稱為馬氏體相變，這是由于剪切位移而改變晶體結構的切變型相變。這種相變可以由溫度誘導，稱為形狀記憶效應。
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