形狀記憶效應
關注創(chuàng)建者：言峰Kirei 創(chuàng)建時間：2020-08-09
形狀記憶效應的視頻教程
基于UMAT的形狀記憶合金本構（雙線性模型）
本課程介紹形狀記憶合金的雙線性UMAT本構 該UMAT基于Brinson模型的相變圖，考慮臨界相變開始應力和結束應力的影響，模擬應力-溫度的曲線更為精確！ 該UMAT的采用關于時間增量的迭代過程和返回映射算法 該模型可模擬形狀記憶效應和超彈性，收斂性較好！
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基于UMAT的形狀記憶合金本構（Lagoudas模型）
優(yōu)點： 可適用于1D、2D和3D問題； 包含多種本構，可以自由切換Tanaka模型、Liang-Rogers模型和Boyd-Lagoudas模型； 可以模擬形狀記憶效應和超彈性！ 包含預應變！可通過定義馬氏體體積分數(shù)來模擬預拉伸應變； 課程資料包含：1.
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形狀記憶效應的實例教程
目前課題組正承擔國家自然科學基金項目“快速凝固超細晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學基金“微尺度熔體抽拉鐵磁形狀記憶纖維的雙功能特性研究”；黑龍江省省屬本科高校基本科研業(yè)務費面上項目“微尺度形狀記憶金屬絲的可控制備及形狀記憶效應研究”等。
原文出處：
Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學習, 沈紅先, 孫劍飛, 溫亞芹, 王歡, 任曉輝, 陰爽
材料工程，2021, 49 (3): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000518
展開 目前課題組正承擔國家自然科學基金項目“快速凝固超細晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學基金“微尺度熔體抽拉鐵磁形狀記憶纖維的雙功能特性研究”；黑龍江省省屬本科高校基本科研業(yè)務費面上項目“微尺度形狀記憶金屬絲的可控制備及形狀記憶效應研究”等。
原文出處：
Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學習, 沈紅先, 孫劍飛, 溫亞芹, 王歡, 任曉輝, 陰爽
材料工程，2021, 49 (3): 41-47.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000518
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(jīng)受機械加載/卸載循環(huán)之后，能夠經(jīng)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(yī)學和結構工程應用。盡管SMA材料分析和設計已經(jīng)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(zhàn)。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(chǎn)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(shù)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(diào)遞增函數(shù)，低于該溫度時，不會出現(xiàn)孿晶馬氏體。β是一個重要參數(shù)。材料參數(shù)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(shù)F根據(jù)轉換應力和彈性域半徑R以Prager型極限函數(shù)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(shù)：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 形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)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(yī)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. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結構系統(tǒng)。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。由于對稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網(wǎng)格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設置和邊界條件。共創(chuàng)建六個分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開始時，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發(fā)生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發(fā)生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發(fā)生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開 形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)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(yī)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. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結構系統(tǒng)。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。由于對稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網(wǎng)格劃分。
圖 1. 四分之一間隔器幾何模型示意圖
3、定義分析設置和邊界條件。共創(chuàng)建六個分析步。
3.1 第一步，在剛性板上施加-3.375mm 的位移以壓縮脊柱間隔器；第二步開始時，移除位移，使間隔器可以自由變形。
3.2 從第三步開始施加熱載荷，溫度從23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期間，由于未發(fā)生相變，間隔器的形狀保持不變。第四步，溫度從 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未發(fā)生主要的相變，計算再次快速收斂。第五步，溫度升高到 51.85℃，收斂速度變慢，大部分形狀恢復發(fā)生在此步中。第六步，將溫度冷卻至 37.85℃，間隔器的形狀保持不變。
圖 2. 溫度條件示意圖
4、運行仿真。不同溫度下間隔器的變形和應力云圖如圖3所示。
圖 3.
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形狀記憶效應的最新內(nèi)容
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)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(yī)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。
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建模步驟
1.
UMAT / VUMAT 的二次開發(fā)： 當標準材料庫無法覆蓋新興材料（如具有形狀記憶效應的鎳鈦合金、相變誘發(fā)塑性的TRIP鋼、或者超高周疲勞退化材料）時，最高階的仿真工程師必須依賴Fortran或C++編寫用戶自定義材料子程序（UMAT用于Abaqus/Standard隱式求解，VUMAT用于Abaqus/Explicit顯式求解）。
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)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(yī)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。
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理解考慮熱效應的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1.
非全松弛載荷循環(huán)在應用中很常見，例如：在安裝過程中對產(chǎn)品施加了預載荷；襯套在模壓過程中產(chǎn)生的壓縮預應力、過盈配合、由于熱膨脹/收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應力；以及在輪胎中，簾線的形狀記憶效應。
圖1.
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(yī)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(tǒng)商用有限元軟件的內(nèi)置材料模型難以精準描述。
并且我發(fā)現(xiàn)他的形狀記憶合金只涉及奧氏體和馬氏體，并沒有對馬氏體進行孿晶馬氏體和去孿晶馬氏體的區(qū)分，這樣的話在仿真形狀記憶效應的時候初始狀態(tài)和結束狀態(tài)馬氏體體積分數(shù)為0，但是其實并不是這樣，請問會不會有問題。
sma_spring_bili_q.mph
智能復合材料的主要種類和應用
1、 形狀記憶合金纖維增強智能復合材料
SMA 應用于智能復合材料主要由于其具有形狀記憶效應（SME）和超彈性。
2、 光導纖維智能復合材料
智能復合材料中的傳感器是嵌埋在復合材料中的，這要求與基體之間具有良好的兼容性。
3、 碳纖維增強智能復合材料
該復合材料較多地出現(xiàn)在水泥基材料中。
將PW/NO的雙相變與彈性PDMS管相結合，PCFs表現(xiàn)出優(yōu)異的三重形狀記憶效應。PCFs編織的織物可以提供智能熱管理功能，以保持溫度恒定，提高人體在熱/冷情況下的舒適度。
因此，本研究為制備具有寬熱管理溫度范圍、熱致變色和三重形狀記憶性能的可編織PCFs提供了一種簡便的策略，在人類智能熱管理方面具有巨大潛力。
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(jīng)受機械加載/卸載循環(huán)之后，能夠經(jīng)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(yī)學和結構工程應用。
