形狀記憶合金
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2016-03-11
形狀記憶合金的視頻教程
Abaqus材料模型-形狀記憶合金彈性本構(gòu)
一、視頻內(nèi)容介紹 二、形狀記憶合金彈性本構(gòu)理論 三、ABAQUS中形狀記憶合金彈性本構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法 四、形狀記憶合金仿真案例
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基于abaqus的形狀記憶合金力學(xué)性能的有限元分析
材料參數(shù)見(jiàn)帖子“基于abaqus的形狀記憶合金力學(xué)性能的有限元分析”
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基于UMAT的形狀記憶合金本構(gòu)（雙線性模型）
本課程介紹形狀記憶合金的雙線性UMAT本構(gòu) 該UMAT基于Brinson模型的相變圖，考慮臨界相變開始應(yīng)力和結(jié)束應(yīng)力的影響，模擬應(yīng)力-溫度的曲線更為精確！ 該UMAT的采用關(guān)于時(shí)間增量的迭代過(guò)程和返回映射算法 該模型可模擬形狀記憶效應(yīng)和超彈性，收斂性較好！
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形狀記憶合金的實(shí)例教程
形狀記憶合金在發(fā)生了塑性變形后，加熱到一定溫度，還可以恢復(fù)原狀。
合金，是由兩種或兩種以上的金屬與非金屬經(jīng)過(guò)一定方法所合成的具有金屬特性的物質(zhì)。根據(jù)組成元素的數(shù)目，可分為二元合金、三元合金和多元合金。中國(guó)是世界上最早研究和生產(chǎn)合金的國(guó)家之一，在商朝青銅（銅錫合金）工藝就已非常發(fā)達(dá)。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(lǐng)，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(huì)產(chǎn)生永久性的塑性變形。但是形狀記憶合金在發(fā)生了塑性變形后，加熱到一定溫度，還可以恢復(fù)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(yīng)。1963年，美國(guó)海軍軍械研究所的研究人員在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)要求。于是，他們就把這些細(xì)絲拉直。但是在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度升到一定值的時(shí)候，這些被拉直的合金絲又突然恢復(fù)到原來(lái)彎曲的形狀。他們反復(fù)做了多次試驗(yàn)，結(jié)果都一樣。后來(lái)還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，某些其他合金也有類似的功能。
記憶合金
原來(lái)，在這類記憶合金中，金屬原子按一定的方式排列起來(lái)。這些金屬原子受到一定的外力作用時(shí)，可以離開自己原來(lái)的位置到另一個(gè)位置去。當(dāng)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(huì)回到原來(lái)的位置。這就是記憶合金在加熱到一定溫度后又恢復(fù)原狀的原因。
事實(shí)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(gè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度以下，人為地改變其形狀后再加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上，該合金便會(huì)自動(dòng)地恢復(fù)到原先在轉(zhuǎn)變溫度以上加工成的形狀。
形狀記憶合金最早的應(yīng)用是在管接頭和緊固件上。
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(yīng)變（偽彈性），并且可以通過(guò)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(guò)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(duì)稱性，僅創(chuàng)建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中對(duì)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(gè)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(shí)，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(jì)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(yùn)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 研究背景
形狀記憶合金被制成薄膜、泡沫或線材的形式時(shí)，在小型器件(如微機(jī)電系統(tǒng)或微執(zhí)行器)中顯示出潛在的應(yīng)用前景。在熱循環(huán)過(guò)程中，通過(guò)馬氏體相變產(chǎn)生的可逆自發(fā)形狀變化被稱為雙程形狀記憶效應(yīng)(two-way shape memory effect, TWSME)。TWSME的機(jī)理通常歸因于立方相中各向異性或內(nèi)應(yīng)力的存在。把記憶合金制作的元件在外加應(yīng)力作用下，反復(fù)加熱和冷卻。當(dāng)合金加熱，恢復(fù)到它原來(lái)的形狀時(shí)，即可輸出力而做功。通常這種合金的雙程記憶效應(yīng)，配上偏置彈簧制成各種驅(qū)動(dòng)器。TWSME的強(qiáng)度和可逆性取決于樣品的微觀結(jié)構(gòu)。目前，在傳感器中的應(yīng)用主要是在熱循環(huán)應(yīng)力作用下完成。Ti-Ni合金優(yōu)異的TWSME已經(jīng)得到了廣泛的研究，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)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(xì)晶結(jié)構(gòu)之一的Ni-Mn-Ga小尺寸纖維，因其特殊的尺寸和微結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)出與塊體合金、薄帶及薄膜所不同的優(yōu)異功能或有趣的物理現(xiàn)象，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與關(guān)注。
展開 研究背景
形狀記憶合金被制成薄膜、泡沫或線材的形式時(shí)，在小型器件(如微機(jī)電系統(tǒng)或微執(zhí)行器)中顯示出潛在的應(yīng)用前景。在熱循環(huán)過(guò)程中，通過(guò)馬氏體相變產(chǎn)生的可逆自發(fā)形狀變化被稱為雙程形狀記憶效應(yīng)(two-way shape memory effect, TWSME)。TWSME的機(jī)理通常歸因于立方相中各向異性或內(nèi)應(yīng)力的存在。把記憶合金制作的元件在外加應(yīng)力作用下，反復(fù)加熱和冷卻。當(dāng)合金加熱，恢復(fù)到它原來(lái)的形狀時(shí)，即可輸出力而做功。通常這種合金的雙程記憶效應(yīng)，配上偏置彈簧制成各種驅(qū)動(dòng)器。TWSME的強(qiáng)度和可逆性取決于樣品的微觀結(jié)構(gòu)。目前，在傳感器中的應(yīng)用主要是在熱循環(huán)應(yīng)力作用下完成。Ti-Ni合金優(yōu)異的TWSME已經(jīng)得到了廣泛的研究，并在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)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(xì)晶結(jié)構(gòu)之一的Ni-Mn-Ga小尺寸纖維，因其特殊的尺寸和微結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)出與塊體合金、薄帶及薄膜所不同的優(yōu)異功能或有趣的物理現(xiàn)象，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛興趣與關(guān)注。
展開 形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)稱SMA)是具有形狀記憶效應(yīng)的一種新型材料。形狀記憶合金在外力下產(chǎn)生塑性變形，去掉外力后變形不能完全恢復(fù)，但將合金加熱到一定的溫度后，其變形消失，恢復(fù)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(yīng)和超彈性。形狀記憶效應(yīng)是指通過(guò)加熱使材料溫度達(dá)到Af以上時(shí)，馬氏體相變?yōu)閵W氏體，材料最終恢復(fù)原始形狀，如圖1所示
圖 1 形狀記憶效應(yīng)示意圖
超彈性則是指，當(dāng)材料所處的環(huán)境溫度高于奧氏體相變結(jié)束的臨界溫度 Af，材料處于奧氏體相的熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，馬氏體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在此溫度下，應(yīng)力誘發(fā)的馬氏體相變與溫度誘發(fā)的馬氏體相變有所不同，應(yīng)力誘發(fā)相變所產(chǎn)生的馬氏體并不是自相適應(yīng)的，材料會(huì)產(chǎn)生很大的變形(大于 5%)；卸載以后材料產(chǎn)生的變形將會(huì)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(yīng)以及超彈性行為，我們可以通過(guò)編寫Umat/Vumat子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是由于編寫子程序需要很高的門檻，同時(shí)也需要花費(fèi)大量時(shí)間精力，因此本文向大家介紹了一種直接調(diào)用Abaqus內(nèi)部SMA材料本構(gòu)的方法。
SMA內(nèi)置本構(gòu)的調(diào)用方法與自編子程序相比更加便捷，無(wú)需安裝Fortran開發(fā)環(huán)境。同時(shí)Abaqus內(nèi)置的SMA子程序適用于隱式分析和顯示分析。
通過(guò)Abaqus模擬得到的SMA單向拉伸載荷位移曲線如下所示
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形狀記憶合金的最新內(nèi)容
鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設(shè)計(jì)
【前言】
形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經(jīng)過(guò)多道工序制成的絲，財(cái)哥簡(jiǎn)稱鈦絲，可以通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)鈦絲發(fā)生運(yùn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的電機(jī)、電磁鐵動(dòng)力，鈦絲是一種新型的動(dòng)力元件。
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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(guò)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(guò)程。
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1.
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參考文獻(xiàn)：《Rolling deformation mechanism of dual-phase NiTiNb shape memory alloy thin strip based on crystal plasticity finite element method》
該文章聚焦雙相 NiTiNb 形狀記憶合金薄帶在 20% 軋制壓下量下的微觀變形機(jī)制，作者用晶體塑性有限元（CPFEM）
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