形狀記憶觸覺的案例
通過觸覺感受，實現汽車與人的智能交流
采用PMX測控系統對形狀記憶觸覺執行器進行研究
執行器可以幫助人們更安全地操作機器和設備。將事故風險降至最低。比如形狀記憶觸覺信息系統在汽車中的應用。
形狀記憶合金（SMA）可以作為無噪音和輕量化的小型驅動器在極小空間中運行。盡管尺寸很小，但這些驅動器的功率密度是所有已知驅動器中最高的。
作為一個走心的形狀觸覺系統解決方案，首先我們來了解下
——
什么是形狀記憶效應？
圖1 形狀記憶效應原理
形狀記憶元件在馬氏體狀態下發生機械變形，如超過臨界應力，會以穩定的狀態出現高延伸率（高達約8%）。如果隨后溫度升高，由馬氏體轉變為奧氏體狀態時，則會發生形狀記憶元件的重塑。這個過程是遲滯和可逆的 [1]。如圖1所示，通過電加熱，形狀記憶元件可以在狀態1和2之間來回切換。在材料轉換過程中，可以檢測到電阻的顯著變化。
FG線驅動器通常由鎳鈦合金組成，在連續操作中可產生400兆帕的最大拉應力，一次操作時可產生800兆帕的最大拉應力[2]。例如，一根1g自重的FG線可以移動5000g的負載。由于上述特性，通過形狀記憶效應可以設計出非常輕巧和緊湊的觸覺元件。
圖2 基于FGL的執行器
圖2展示了弓形FG驅動器。鉸鏈式FG線兩端通過機械裝置夾緊，中間部分與執行機構連接。
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
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 【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
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 一種可用于形狀記憶合金（SMA）的UMAT子程序 ￥29.99
這個 UMAT 展示了如何在標準塑性框架內嵌入相變效應，為模擬如形狀記憶合金 (SMA)、相變誘發塑性 (TRIP) 鋼等智能材料或先進金屬提供了基礎。理解和應用此代碼需要對彈塑性力學理論、ABAQUS UMAT 接口和特定材料的相變機制有深入的了解。
4、 代碼解釋以及案例文件（inp，umat子程序)
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 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 形狀記憶聚合物本構關系在abaqus中實現
<p>有需要形狀記憶聚合物abaqus本構關系程序的聯系我，通過abaqus內置本構模型即可設置SMP材料屬性。</p>
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 
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 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。
金屬頂刊《Acta Materialia》：形狀記憶合金的疲勞裂紋擴展行為！
圖1Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金的BSE圖像和氧化物顆粒的大小分布
圖2Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金進行550℃×3h熱處理后的TEM圖
圖3 NiTiHf DCT試件在180℃時機械疲勞裂紋擴展的?J與da/dN關系圖
在本文實驗中證實該式可擬合來自所有實驗的疲勞裂紋擴展率數據并可使用同一組參數，冪律指數m約為2.2。疲勞斷口分析表明，機械裂紋擴展和驅動裂紋擴展均為準解理斷裂，表面氧化鉿的頻繁存在對裂紋擴展抗力產生了惡化作用。所獲得的結果表明，單一的經驗冪律表達式可以在廣泛的加載條件和幾何構型中實現所需的相似性，從而提供形狀記憶合金熱機械疲勞的統一描述，從而估算驅動力。
圖4180℃機械疲勞裂紋擴展實驗后NiTiHf DCT試樣斷口的SEM圖像
圖5 NiTiHf DCT試樣在250 N恒偏置載荷下驅動疲勞裂紋擴展實驗后的斷口SEM圖像
總的來說，本文首次對富鎳NiTiHf高溫形狀記憶合金進行了純機械和驅動疲勞裂紋擴展實驗。基于循環積分，提出了一種Paris型冪律裂紋擴展表達式，用于擬合各實驗單參數下的疲勞裂紋擴展速率。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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展開 abaqus形狀記憶聚合物結構的熱-力學有限元模擬
此時SMP板形狀被固定。
(4) 低溫卸載階段：溫度場保持不變，將施加在RP-1和RP-2上的角位移卸去，其他約束不變。
(5) 升溫恢復階段：將溫度均勻升高到，SMP板形狀將恢復到初始狀態。
3.3 模擬結果
通過ABAQUS有限元計算可以得到SMP板的完整形狀記憶過程模擬結果，如圖2所示，動態圖展示了SMP板的變形以及應力場變化情況。
圖2 SMP板折疊形狀記憶過程
從上面這組圖中可以看出本文所描述的有限元分析方法同樣可以模擬出SMP板結構的形狀記憶過程，圖為SMP板邊界上某一點轉角與溫度的關系曲線。
圖3 SMP板轉角與溫度的關系
最后，有需要歡迎通過微信公眾號聯系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
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