ansys形狀記憶效應(yīng)的案例
Ansys | 基于熱效應(yīng)的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)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(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進(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(fù)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(yīng)力云圖如圖3所示。
圖 3.
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形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)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(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)入幾何模型。脊柱間隔器植入物的幾何形狀如圖 1 所示。由于對稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進(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(fù)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(yīng)力云圖如圖3所示。
圖 3.
展開 【論文介紹】Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應(yīng)
目前課題組正承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目“快速凝固超細(xì)晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學(xué)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(wù)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(yīng)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(yīng)
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學(xué)習(xí), 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 【論文介紹】Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形狀記憶合金多晶纖維的雙程形狀記憶效應(yīng)
目前課題組正承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目“快速凝固超細(xì)晶纖維的制備及磁熱特性研究”，黑龍江省自然科學(xué)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(wù)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(yīng)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(yīng)
（點擊查看全文）
劉艷芬, 張學(xué)習(xí), 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
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案例40-具有熱效應(yīng)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(jīng)受機(jī)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(yīng)變（偽彈性），或者能夠通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。
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(guān)的應(yīng)變的轉(zhuǎn)換應(yīng)變：
其中是完全變換后的相變中的范數(shù)的最大值。
因此，應(yīng)力以應(yīng)變表示：
在相變過程中，相變應(yīng)力定義為：
其中是室溫T和材料相關(guān)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(guān)。
的演化方程如下：
其中，極限函數(shù)F根據(jù)轉(zhuǎn)換應(yīng)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(yīng)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。
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