CAE軟件操作小百科(56)

1形狀記憶合金有什么特性？

形狀記憶合金（shape memory alloy， SMA）可以具有3種不同晶體結(jié)構(gòu)，即孿晶馬氏體、非孿晶馬氏體和奧氏體。馬氏體結(jié)構(gòu)在低溫下穩(wěn)定，奧氏體結(jié)構(gòu)在高溫下穩(wěn)定。當(dāng)SMA被加熱時，馬氏體SMA轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體SMA。奧氏體相變開始溫度As是這種轉(zhuǎn)變開始的溫度，奧氏體相變結(jié)束溫度Af是這種轉(zhuǎn)變完成的溫度。SMA一旦被加熱到As以上，就開始收縮并轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體結(jié)構(gòu)，即恢復(fù)到原來的形狀，這種轉(zhuǎn)變即使在高負(fù)載下也是可能的。在冷卻過程中，奧氏體結(jié)構(gòu)在溫度達(dá)到馬氏體相變起始溫度Ms時開始恢復(fù)為馬氏體結(jié)構(gòu)，并在達(dá)到馬氏體相變終止溫度Mf時完成。馬氏體不再產(chǎn)生應(yīng)力的最高溫度為Md，在此溫度以上，SMA會像任何普通金屬材料一樣永久變形。這些形狀變化效應(yīng)被稱為形狀記憶效應(yīng)和偽彈性（或超彈性）。形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)（one way shape memory effect， OWSME）。某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)（two way shape memory effect，TWSME）。偽彈性（Pseudoelasticity， PE）或超彈性（Superelasticity， SE）是指溫度在Af與Md之間時，對形狀記憶合金施加機(jī)械載荷，在卸載后SMA恢復(fù)其原始形狀的性能，這2個性能無需任何熱激活。

2如何用Abaqus進(jìn)行偽彈性仿真？2017版本之前的Abaqus只能通過用戶子程序定義相關(guān)的記憶合金本構(gòu);在2017版本之后，其材料庫中加入Super elasticity材料描述形狀記憶合金。Super elasticity材料采用基于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(yù)應(yīng)變以及復(fù)雜且精確的本構(gòu)模型。此外，許多學(xué)者開發(fā)SMA的數(shù)值模型，如基于有限應(yīng)變的Jaber三維SMA本構(gòu)模型、Lagoudas的統(tǒng)一本構(gòu)模型等。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時，材料處于奧氏體相的熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，馬氏體相處于不穩(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)所產(chǎn)生的馬氏體相變不是自適應(yīng)的，材料會產(chǎn)生很大的變形（大于5%），卸載以后材料產(chǎn)生的變形將會完全消失，因此稱為超彈性。超彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變示意見圖1。

實現(xiàn)超彈性材料的使用可以通過在Abaqus中添加材料實現(xiàn)，具體步驟為Property→Mechanical→Super Elasticity。

3如何使用Abaqus進(jìn)行記憶效應(yīng)仿真截至目前版本Abaqus 2021，Abaqus軟件仍無法直接使用自帶的本構(gòu)材料實現(xiàn)單程記憶效應(yīng)模擬，需要借用UMAT才可以進(jìn)行記憶效應(yīng)仿真。使用UMAT進(jìn)行仿真時常見的問題有以下幾個方面。（1）Abaqus如何配置用戶子程序以Abaqus 2021為例，依次安裝Abaqus 2021、Visual Studio 2019和Intel Parallel Studio XE 2020，打開Abaqus CAE所在位置，找到launcher.bat，里面內(nèi)容為：

@echo off

call "C：＼＼SIMULIA＼＼Commands＼＼abq2021.bat" %*找到并打開abq2021.bat，里面內(nèi)容為：

@echo off

setlocal

set ABA_COMMAND=%～nx0

set ABA_COMMAND_FULL=%～f0

"D：＼＼abaqus2021＼＼Abaqus 2021＼＼2＼＼win_b64＼＼code＼＼bin＼＼ABQLauncher.exe" %*

Endlocal在第一行后面加入語句：

@Call "C：＼＼Program Files （x86）＼＼IntelSWTools＼＼compilers_and_libraries_2020.0.166＼＼windows＼＼bin＼＼ifortvars.bat" intel64 vs2019應(yīng)注意軟件版本號是否對應(yīng)，運行Abaqus Verification，查看所有項目，都通過后即可使用。（2）如何選擇分析步類型在使用UMAT進(jìn)行記憶效應(yīng)仿真時，可以選擇準(zhǔn)靜態(tài)或隱式動力學(xué)分析步，但是不可以使用顯式動力學(xué)分析步，若需要使用顯式動力學(xué)則需使用VUMAT。（3）如何選擇單元類型若只是簡單模擬形狀記憶效應(yīng)，溫度通過預(yù)定義場添加，則選擇C3D8I單元類型，選取非協(xié)調(diào)模式以及開啟2階精度，以便更好地收斂，單元類型設(shè)置窗口見圖2。

若需要模擬電、熱、力三場耦合，則需要選擇Q3D8單元類型，見圖3。

（摘自同濟(jì)大學(xué)鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義）

收稿日期：? 2021-11-17

作者簡介： 周俊武（1998—），男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向為鋰離子電池充放電擴(kuò)散誘導(dǎo)應(yīng)力及其本構(gòu)關(guān)系，（E-mail）530652499@qq.com