ansys形狀記憶合金的案例
Ansys | 基于熱效應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. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統。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，僅創建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網格劃分。
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 Ansys | 基于熱效應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. 在 ANSYS Workbench 中創建靜力結構系統。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，僅創建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對幾何體進行網格劃分。
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 【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
研究背景
形狀記憶合金被制成薄膜、泡沫或線材的形式時，在小型器件(如微機電系統或微執行器)中顯示出潛在的應用前景。在熱循環過程中，通過馬氏體相變產生的可逆自發形狀變化被稱為雙程形狀記憶效應(two-way shape memory effect, TWSME)。TWSME的機理通常歸因于立方相中各向異性或內應力的存在。把記憶合金制作的元件在外加應力作用下，反復加熱和冷卻。當合金加熱，恢復到它原來的形狀時，即可輸出力而做功。通常這種合金的雙程記憶效應，配上偏置彈簧制成各種驅動器。TWSME的強度和可逆性取決于樣品的微觀結構。目前，在傳感器中的應用主要是在熱循環應力作用下完成。Ti-Ni合金優異的TWSME已經得到了廣泛的研究，并在實際應用中得到了廣泛的應用。在Ni-Mn-Ga塊體單晶和多晶薄膜中也觀察到了TWSME，作為具有超細晶結構之一的Ni-Mn-Ga小尺寸纖維，因其特殊的尺寸和微結構特征表現出與塊體合金、薄帶及薄膜所不同的優異功能或有趣的物理現象，引起了學術界的廣泛興趣與關注。
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
研究背景
形狀記憶合金被制成薄膜、泡沫或線材的形式時，在小型器件(如微機電系統或微執行器)中顯示出潛在的應用前景。在熱循環過程中，通過馬氏體相變產生的可逆自發形狀變化被稱為雙程形狀記憶效應(two-way shape memory effect, TWSME)。TWSME的機理通常歸因于立方相中各向異性或內應力的存在。把記憶合金制作的元件在外加應力作用下，反復加熱和冷卻。當合金加熱，恢復到它原來的形狀時，即可輸出力而做功。通常這種合金的雙程記憶效應，配上偏置彈簧制成各種驅動器。TWSME的強度和可逆性取決于樣品的微觀結構。目前，在傳感器中的應用主要是在熱循環應力作用下完成。Ti-Ni合金優異的TWSME已經得到了廣泛的研究，并在實際應用中得到了廣泛的應用。在Ni-Mn-Ga塊體單晶和多晶薄膜中也觀察到了TWSME，作為具有超細晶結構之一的Ni-Mn-Ga小尺寸纖維，因其特殊的尺寸和微結構特征表現出與塊體合金、薄帶及薄膜所不同的優異功能或有趣的物理現象，引起了學術界的廣泛興趣與關注。
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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 comsol形狀記憶合金彈簧仿真
并且我發現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分，這樣的話在仿真形狀記憶效應的時候初始狀態和結束狀態馬氏體體積分數為0，但是其實并不是這樣，請問會不會有問題。
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comsol形狀記憶合金拉伸仿真
梁
神奇的功能材料——形狀記憶合金
形狀記憶合金在發生了塑性變形后，加熱到一定溫度，還可以恢復原狀。
合金，是由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經過一定方法所合成的具有金屬特性的物質。根據組成元素的數目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國是世界上最早研究和生產合金的國家之一，在商朝青銅（銅錫合金）工藝就已非常發達。我們常聽到的有鋁合金、鈦合金等，但是，有一種類型的合金具有神奇的“記憶”本領，稱為形狀記憶合金，這你知道嗎？
一般的金屬材料在外力作用下會產生永久性的塑性變形。但是形狀記憶合金在發生了塑性變形后，加熱到一定溫度，還可以恢復原狀。
1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應。1963年，美國海軍軍械研究所的研究人員在一項實驗中需要一些鎳鈦合金絲，但他們拿到的合金絲都是彎彎曲曲的，不符合實驗要求。于是，他們就把這些細絲拉直。但是在實驗中，當溫度升到一定值的時候，這些被拉直的合金絲又突然恢復到原來彎曲的形狀。他們反復做了多次試驗，結果都一樣。后來還陸續發現，某些其他合金也有類似的功能。
記憶合金
原來，在這類記憶合金中，金屬原子按一定的方式排列起來。這些金屬原子受到一定的外力作用時，可以離開自己原來的位置到另一個位置去。當這些合金受熱升溫后，由于獲得了一定的能量，這種金屬原子又會回到原來的位置。這就是記憶合金在加熱到一定溫度后又恢復原狀的原因。
事實上，每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個轉變溫度。在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然后將其冷卻到轉變溫度以下，人為地改變其形狀后再加熱到轉變溫度以上，該合金便會自動地恢復到原先在轉變溫度以上加工成的形狀。
形狀記憶合金最早的應用是在管接頭和緊固件上。
展開 形狀記憶合金的本構模型及有限元仿真 ￥30
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。如果相變由應力誘導，則稱為超彈性。
圖1-1 SMA的不同相
在無外應力的情況下，SMA中的馬氏體體積分數隨著溫度而變化。
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 Abaqus調用內置子程序模擬形狀記憶合金 ￥19.89
形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)是具有形狀記憶效應的一種新型材料。形狀記憶合金在外力下產生塑性變形，去掉外力后變形不能完全恢復，但將合金加熱到一定的溫度后，其變形消失，恢復到原始形狀。
形狀記憶合金最典型的特征包括形狀記憶效應和超彈性。形狀記憶效應是指通過加熱使材料溫度達到Af以上時，馬氏體相變為奧氏體，材料最終恢復原始形狀，如圖1所示
圖 1 形狀記憶效應示意圖
超彈性則是指，當材料所處的環境溫度高于奧氏體相變結束的臨界溫度 Af，材料處于奧氏體相的熱力學穩定狀態，馬氏體處于不穩定狀態。在此溫度下，應力誘發的馬氏體相變與溫度誘發的馬氏體相變有所不同，應力誘發相變所產生的馬氏體并不是自相適應的，材料會產生很大的變形(大于 5%)；卸載以后材料產生的變形將會完全消失。超彈性示意圖如圖2所示
圖2 超彈性示意圖
為了在Abaqus中模擬形狀記憶合金的形狀記憶效應以及超彈性行為，我們可以通過編寫Umat/Vumat子程序來實現。但是由于編寫子程序需要很高的門檻，同時也需要花費大量時間精力，因此本文向大家介紹了一種直接調用Abaqus內部SMA材料本構的方法。
SMA內置本構的調用方法與自編子程序相比更加便捷，無需安裝Fortran開發環境。同時Abaqus內置的SMA子程序適用于隱式分析和顯示分析。
通過Abaqus模擬得到的SMA單向拉伸載荷位移曲線如下所示
展開 
基于abaqus的形狀記憶合金力學性能的有限元分析 ￥10
SMA絲的實驗參數參考華南理工大學凌育洪博士的學位論文中的相關章節
SMA本構使用abaqus內置的Auricchio 模型超彈性本構（2017之前版本需用特殊材料名調用；2017后版本直接在材料屬性模塊定義）
形狀記憶合金NiTi絲由西安賽特有限公司生產，直徑1mm，Ni含量為55.8%，試件長度200mm，標距100mm。DSC（Differential Scanning Calorimeter）測得該批NiTi絲的相變溫度分別為：Mf =-40.8℃，Ms =5.3℃，As=-26.8℃，Af =12℃，其中Ms和Mf 和分別為馬氏體開始溫度和結束溫度；As和Af 和分別為馬氏體開始溫度和結束溫度。材性實驗在華南理工大學力學實驗室的INSTRON5567萬能電子試驗機上進行，實驗時環境溫度為25℃，高于奧氏體結束溫度，故該NiTi絲在該實驗溫度下具有超彈性。
展開 山東大學《Scripta Mater》：形狀記憶合金的反常應力應變行為！
B2結構的奧氏體(A)和B19'馬氏體(M)之間發生熱彈性轉變，產生形狀記憶和超彈性效應，這種特性在實際應用中得到廣泛應用。
東北大學《Scripta》：磁性形狀記憶合金的馬氏體穩定性及物理性能
特別是Ni-(Co)-Mn-In合金具有大約3%的輸出應變和超過100MPa的輸出應力，伴隨著巨大的磁熱效應等。這些優異的綜合性能在磁驅動和磁制冷等實際應用中具有重要意義。根據化學成分的不同，已證明三元合金中的馬氏體相分為兩大類，即調質和非調質(NM)，調質馬氏體主要包括斜方四層(4O)、單斜五層(5M)、單斜六層(6M)和單斜七層(7M)結構。磁場誘導的形狀記憶效應僅在調質馬氏體中實現。然而大量研究表明，隨著外部條件的變化，調質馬氏體進一步轉變為NM馬氏體，調質馬氏體的亞穩定性限制了這些合金的應用。因此，許多研究致力于拓寬調質馬氏體溫度范圍。到目前為止，還沒有關于第一性原理計算研究的Ni-Mn-In合金中5M和7M馬氏體相穩定性的報道。
來自東北大學，燕山大學等單位的研究人員通過第一性原理計算和實驗研究了Ni50Mn35In15合金中5M和7M調質馬氏體的相穩定性和相關物理性能，可以根據狀態密度和微分電荷密度分析來確定相的穩定性。相關論文以題為“5M and 7M martensitic stability and associated physical properties in Ni50Mn35In15 alloy: first-principles calculations and experimental verification”發表在Scripta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114140
本研究通過定向凝固制備了名義成分為Ni50Mn35In15的多晶樣品。為了使合金成分均勻，樣品在氬氣環境下進行1173K×24h退火（水淬）。
展開 金屬頂刊《Acta Materialia》：形狀記憶合金的疲勞裂紋擴展行為！
本文為形狀記憶合金的設計和疲勞預測提供了理論依據。（文：破風）
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