你知道有些材料能够记住它们原来的形状吗？这种现象并非魔法，而是形状记忆合金（SMA）的独特属性。.
由于具有形状记忆能力，形状记忆合金（SMA）在从航空航天到医疗等各个领域都得到了广泛应用。凭借这种卓越的适应性，2023年价值141亿美元的形状记忆合金市场预计到2033年将增长三倍。这些合金能够响应温度或应力而改变其内部结构，从而无需电机或电子元件即可移动或变形。正因如此，形状记忆合金的应用在机器人、航空航天和医疗等领域日益增长。.
本文将首先揭示形状记忆合金神奇性能背后的秘密。然后，我们将探讨形状记忆合金的广泛应用，展现其卓越的适应性。接下来，我们将介绍用于模拟形状记忆合金行为的模型。最后，我们将介绍 UMAT 子程序，它是 Abaqus 中用于模拟形状记忆合金行为的工具（形状记忆合金模拟）。.
An introduction to the world of Shape Memory Alloys
形状记忆合金是一种新型材料，具有在经历相当大的形变后恢复原状的能力。由于这一独特的特性，它们在各个领域的应用正迅速增长。.
你可能想知道形状记忆合金的工作原理。其实很简单。想象一下，一块变形的形状记忆合金。当我们卸载并加热它时，它会恢复到原来的形状。图 1 展示了实际形状记忆合金丝的这种特性。.
形状记忆合金之所以能够恢复到原来的形状，主要归功于两个关键特性：形状记忆效应和超弹性。你知道这些术语分别指的是什么吗？我们这就来解释。.
图1：一根形状记忆合金（SMA）丝，冷却后弯曲，加热后恢复原状。 [1]
What are the Shape Memory Alloys made of?
你可能会问：是什么造就了形状记忆合金的卓越性能？答案是，形状记忆合金的核心在于其独特的金属组合。.
镍钛诺（Nitinol）是形状记忆合金（SMA）中广泛使用的金属复合材料之一，以该商品名销售。它由镍和钛组成，用途十分广泛。例如，图2展示了镍钛诺在牙科锉中的应用。由于其优异的抗疲劳性能，牙科锉是镍钛诺在全球范围内日常应用的一个常见例子。.
图2：镍钛诺在牙科锉中的应用 [2]
镍钛诺合金是美国海军军械实验室的一次意外发现。在一次实验室管理会议上，一个样品被反复变形。一位副技术主管决定对样品进行加热。令在场所有人惊奇的是，样品竟然恢复了原状。这是形状记忆合金发展史上的一个关键节点。.
除了镍钛合金之外，形状记忆合金（SMA）家族还包含其他具有更优异性能的组合。铜铝镍合金和锌铜合金就是众所周知的例子，它们具有诸多吸引人的优势。此外，当今世界形状记忆合金领域的创新已超越了金属本身。研究人员正在探索将形状记忆合金融入聚合物和复合材料中。这将带来具有更高柔韧性、强度甚至自修复能力的材料。.
There are still some questions remain, such as advantages of SMAs and types of SMAs which you can learn deeply in this tutorial.
- 4.50
形状记忆合金（SMA）凭借其形状记忆效应和超弹性，能够恢复其原始形状。这些独特的特性使得SMA在工程和医疗领域得到广泛应用。仿真提供了一种经济高效的方法来分析SMA的行为，最终提升其可靠性和性能。因此，研究人员经常采用仿真来研究基于SMA的系统。本教学包首先探讨SMA丝材的基本原理，介绍其各种类型和具体功能。然后，它提供了描述SMA在仿真中行为所需的本构方程。该教学包包含一个流程图和一个分步指南，指导用户如何在Abaqus中编写子程序来模拟SMA。用户还将体验一个使用Abaqus模拟SMA丝材超弹性效应的研讨会。该研讨会不仅提供关于仿真和子程序实现的指导，还将仿真结果与解析解进行比较以进行验证。.
The Shape Memory Effect
形状记忆效应使得形状记忆合金在施加温度后能够恢复到其原始形状。这种特性源于材料内部两种不同相——马氏体和奥氏体——之间的相互作用。.
奥氏体是母相，形状记忆合金在高温下保持稳定。图3显示了形状记忆合金在奥氏体相中的晶体结构。.
图3：形状记忆合金在奥氏体相中的显微图像 [3]
在较低温度下，形状记忆合金（SMA）会从奥氏体相转变为孪晶马氏体相。孪晶马氏体相的特征是原子排列更加无序，并且通常呈现低对称性结构。图4展示了孪晶马氏体相中形状记忆合金的晶体结构。.
图 4：孪晶马氏体相形状记忆合金的显微图像 [4]
当形状记忆合金处于孪晶马氏体相并发生形变时，它会转变为去孪晶马氏体相。图5展示了形状记忆合金在去孪晶马氏体相中的晶体结构。.
图 5：去孪晶马氏体相形状记忆合金的显微图像 [5]
现在，考虑一种处于去孪晶马氏体相的形状记忆合金。卸载后，在高温下，原子会重新排列成奥氏体相。因此，材料会恢复到初始形状。这种特性被称为形状记忆效应。图 6 展示了形状记忆合金的完整相变过程。.
图 6：形状记忆合金中可能发生的相变示意图 [6]
现在您已经对形状记忆效应及其在形状记忆合金中的工作原理有了基本的了解。但是您知道形状记忆效应可能以两种方式发生吗？让我们来探讨一下。当然，您也可以在本教程中观看更详细的视频解释和示例：“简单移动平均线 (SMA) 的行为模式是怎样的？“
One-Way and Tow-Way Shape Memory Effects
形状记忆合金通常表现出我们之前讨论过的记忆效应，即单向形状记忆效应。然而，还有另一类形状记忆合金，除了单向效应外，还能恢复到其变形后的形状。这种现象被称为双向形状记忆效应。图7比较了单向和双向形状记忆效应。.
图 7：SMA 中单向和双向形状记忆效应的比较
单向形状记忆效应非常简单，如图左侧所示。右侧所示，一种材料被变形后加热，恢复到原来的形状。再次冷却后，它又会恢复到变形后的形状。由于这种材料既能恢复到原来的形状，也能恢复到变形后的形状，因此我们将这种特性称为双向形状记忆效应。.
双向形状记忆效应通常是通过一种称为‘训练’的过程实现的。训练过程包括对形状记忆合金（SMA）进行重复的热循环。在这个过程中，材料会学习如何在特定条件下保持形状。然而，当经过训练的物体加热到超过一定温度时，它可能会失去双向记忆效应。因此，单向形状记忆合金仍然更可靠、应用更广泛。本文余下部分将主要讨论单向形状记忆合金。.
The Superelasticity Effect
形状记忆合金（SMA）的特性不仅限于恢复原状的形状记忆效应，它们还具有超弹性。得益于超弹性效应，即使温度没有变化，形状记忆合金也能恢复其原始形状。.
为了理解超弹性的原理，我们假设一种材料稳定在奥氏体相。如图 8 所示，我们在温度不变的情况下对其施加形变。结果，它直接转变为不稳定的去孪晶马氏体相。当我们释放施加的载荷时，形状记忆合金 (SMA) 会恢复到其原始形状，没有任何残余形变。这种现象称为超弹性。.
图 8：形状记忆合金中超弹性效应的示意图 [8]
Application of Shape Memory Alloys in Different Fields
想象一下，有一种材料即使经过大幅形变也能恢复原状。这就是形状记忆合金的奇妙之处。它并非仅仅是一个概念，而是正在影响着从医学到航空航天等诸多领域。图 9 概述了形状记忆合金在不同领域的应用。我们将仅讨论其中的一些应用。.
图9：形状记忆合金在不同领域的应用概述 [9]
1. Medicine
我们首先来探讨一下形状记忆合金在医疗系统中的应用。形状记忆合金正在为医疗领域带来显著的进步。它们为该领域提供了适应性强且更舒适的解决方案。例如，我们可以利用形状记忆合金制造用于修复骨折的钢板和钢钉。它们能够适应骨骼的形状，并在冷却后收紧，从而确保牢固贴合。这有助于促进愈合过程。图 10 展示了钛基合金（包括钛镍合金）作为人体植入部件的潜在用途。.
图10：钛基合金作为人体植入部件的潜在用途 [10]
如图 11 左侧所示，镍钛合金支架是一种用于疏通阻塞血管的灵活工具。我们可以压缩支架以便插入。当被体温加热时，支架会膨胀并完美贴合血管的形状。这一过程有助于恢复血流。.
图 11：形状记忆合金在医学和生物医学领域的一些应用[参考文献]
除了支架之外，我们还可以使用镍钛合金丝制作牙齿矫正器。这种矫正器可以对牙齿施加轻柔而持续的压力，适应牙齿的移动并减轻不适感。图 11 右下角所示为镍钛合金牙齿矫正器。.
您知道什么是记忆眼镜吗？或者记忆金属镜架有哪些优点？您可以查看图 11 右上角找到答案。图中展示了形状记忆合金 (SMA) 如何应用于眼镜架的生产，从而延长其使用寿命。这是形状记忆合金在医疗和生物医学领域的应用之一。.
2. Aerospace
形状记忆合金的另一项应用是航空航天工业中的集成材料。配备形状记忆合金致动器的飞机机翼可以在飞行过程中改变形状，从而优化起飞、平稳飞行和着陆等各种条件下的性能。此外，形状记忆合金致动器也是减少飞机机翼振动、防止结冰和确保飞行安全的关键部件。图 12 详细概述了目前常用形状记忆合金的飞机部件。.
图 12：飞机部件中常用形状记忆合金的概览 [12]
除了飞机部件，我们还可以利用形状记忆合金（SMA）来制造精密卫星组件。它们结构紧凑、重量轻，适用于空间有限的应用，而其形状记忆特性则保证了操作的精确性。.
3. Engineering and Robotics
形状记忆合金的另一个应用领域是机器人技术。因此，一篇博文无法涵盖其所有应用。不过，我们已经为您简要介绍了其中的一些应用。.
在机器人领域，形状记忆合金（SMA）能够实现精准灵活的运动。采用SMA制成的设备可以调整自身大小以抓取不同尺寸的物体。此外，配备SMA肌肉的机器人能够更自然地模拟人体部位的运动。图13展示了SMA在机器人中的应用，以增强其灵活性。.
图 13：形状记忆合金在机器人中的应用，以增强其灵活性 [13]
形状记忆合金（SMA）在工程领域的应用远不止于机器人。如今，SMA已被应用于抗震建筑。SMA加固的结构在地震中能够变形，并在地震后恢复原状，且损伤极小。此外，SMA还可用作自修复材料，以延长结构的使用寿命。如图14所示，SMA能够检测损伤并启动自愈机制。.
图 14：形状记忆合金增强基体中裂纹闭合的示意图 [14]
除了上述应用之外，形状记忆纺织品还可以用于可穿戴设备，制造能够适应温度或身体运动的服装。这类可穿戴设备具有更高的舒适性和功能性。.
4. Summary of Practical Applications
以上是我们探讨的形状记忆合金（SMA）应用领域的一些概念。其中一些已经发展到高级阶段，而另一些仍在研发中。您可以通过简单的搜索发现更多应用和不同的形状记忆合金产品。这些发现有望为利用形状记忆合金简化日常生活铺平道路。.
Numerical simulation of behavior of the SMAs | SMA Simulation
数值模拟是一种经济高效且精确的方法，可用于模拟形状记忆合金的行为。形状记忆合金模拟主要涉及定义本构方程。如图 15 所示，这些方程描述了可能发生的相变过程中应力与应变之间的关系。.
形状记忆合金（SMA）模拟的主要挑战在于，相变过程中本构方程会变得非线性。这些方程取决于应力诱导和温度诱导的马氏体体积分数。这两个参数分别决定了在温度降低和施加应力的情况下材料转变为马氏体相的百分比。本构方程的非线性带来了挑战，使其求解变得困难。.
图 15：形状记忆合金在应力-应变图上可能发生的相变示意图 [15]
The Developed Models | Shape Memory Alloy Wire
为了应对分析形状记忆合金行为的挑战，研究人员开发了多种数值模型。所有这些模型都旨在以兼顾简洁性和精确性的方式建立应力与应变之间的关系。然而，每种模型都有其自身的局限性和优势。.
Brinson 开发了一种著名的模型，用于模拟形状记忆合金丝在一维空间中的行为。该模型计算相变过程中应力诱导和温度诱导的马氏体体积分数。随后，它利用公式 (1) 计算形状记忆合金的弹性模量。.
在公式（1）中，, 
是总马氏体体积分数。它代表形状记忆合金转变为马氏体相的总体积分数。. 
是马氏体相形状记忆合金的弹性模量， 
表示其在奥氏体相中的弹性模量。.
最后，Brinson 模型引入了方程 (2) 来评估形状记忆合金在相变过程中的应力。.
在公式（2）中，, 
压力，而且 
代表最大可恢复应变。. 
是应力诱导马氏体体积分数， 
是热膨胀系数。. 
和 
分别是当前温度和参考温度。.
您可以通过简单的网络搜索找到更多模型。然而，本文篇幅有限，无法一一介绍。.
但您可能仍然难以理解上面的等式；别担心，您可以在我们的资源中找到答案。 SMA教程.
Using Abaqus for SMA Analysis
Abaqus CAE 是用于形状记忆合金 (SMA) 分析的强大工具。但是，我们如何在 Abaqus 中实现 SMA 的非线性方程，尤其是在其程序库中没有这些方程的情况下？这个问题可以通过使用 UMAT 子程序来解决。.
The UMAT subroutine
UMAT 允许用户在 Abaqus 中定义自定义的材料本构方程。它超越了 Abaqus 的默认库，支持在仿真中使用复杂的非线性或温度相关的材料模型。图 16 展示了 UMAT 子程序的接口。.
图 16：UMAT 子程序的接口
A Learning Package for Modeling SMAs in Abaqus
UMAT 使得在 Abaqus 中模拟形状记忆合金的行为成为可能。然而，编写 UMAT 子程序并非易事。它需要对材料力学、有限元分析 (FEA) 以及 Fortran 语言编程有深入的了解。不过别担心，我们已经为您准备了学习资料包。“使用 UMAT 在 Abaqus 中对 SMA 进行仿真“它教你如何编写子程序并使用 Abaqus 对形状记忆合金中的相变进行建模。.
在提供的软件包中，您可以访问一个研讨会，其中我们模拟了形状记忆合金（SMA）丝材的相变。在该研讨会中，我们将应力-应变曲线与参考文献中的解析解进行了比较。 纸 为了进行验证。图 17 显示了研讨会中获得的结果与参考解决方案的验证情况。.
图 17：模拟的形状记忆合金的应力-应变曲线 [17] 并与解析解进行了比较 [18].
结论
本文重点介绍了形状记忆合金（尤其是形状记忆合金丝）的应用，以及如何对其独特的性能进行建模和仿真。形状记忆合金是一种金属，在特定温度下变形后能够恢复到预定的形状。.
理解这一主题至关重要，因为形状记忆合金（SMA）在需要精密、紧凑且响应迅速的元件的工程领域中应用日益广泛。它们无需传统致动器即可改变形状的特性，使其在各个行业都具有实用价值。.
文章首先对形状记忆合金（SMA）的性能进行了基本解释，包括马氏体相变及其如何赋予材料超弹性和形状记忆效应。随后，文章介绍了如何在有限元分析软件中对SMA丝进行建模，以预测其热响应和力学响应。此外，文章还提供了一个使用Abaqus软件的仿真示例，展示了如何定义材料属性和设置边界条件。最后，文章列举了SMA在航空航天、机器人和医疗等领域的实际应用案例，重点阐述了仿真工具如何支持SMA与实际系统的集成。.
总的来说，这篇文章解释了形状记忆合金的工作原理、如何模拟形状记忆合金以及形状记忆合金的应用领域，帮助工程师更好地理解和在实际设计中使用这些材料。.
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