ANSYS材料非线性记忆金属解析

ANSYS材料非线性+几何非线性分析之

记忆合金

ANSYS材料非线性+几何非线性分析之

记忆合金

问题背景：

在20世纪60年代由美国海军武器实验室发现了镍钛合金的记忆属性，并称之为SMA，其中它的最主要的使形状记忆效应、伪弹性效应、类橡皮性。本课题主要研究SMA金属在矫正牙齿方面的应用，基于ansys软件的有限元分析，得到记忆金属在发生变形后内部的应力状况，以及释放位移后金属的残余应力，而且可以得到金属在加载和卸载过程中的应力应变曲线，这对于设计牙套非常有帮助。

关键词记忆金属分步加载应力应变曲线

问题描述：

如图所示的模型，当A和B点向外拉开的时候，将牙卡在3和11之间，然后释放A和B由于金属具有记忆属性，它会对牙有一个压力，这样的话就能达到矫正牙齿的作用。由于对称性，我们可以建立一半模型来分析。先对B施加一个x方向的位移5mm，然后再施加一个x方向的位移2mm。分析模型的等效应力图和等效应力与应变关系图。

图1.模型

材料的参数

图2.材料参数实验步骤：

1.实验分析模型Structure

图3.分析模型2.选择材料的单元类型solid182和solid185

图4.材料单元类型

3.输入材料的各项参数。

图5.弹性模量和泊松比

图6.记忆金属各项参数4.建立平面点坐标

图7.点坐标

5.利用指令“a，1,9,10,8”建立平面

图8.平面图6.通过直线和倒角，建立曲线

图9.曲线图7.进行拉伸操作建立三维立体图形

图10.立体图

8.画网格将网格的大小设置为0.15，然后通过sweep画全部的网格。

图11.画完网格后的图形

9.在左上角端部施加固定端约束

图12.施加固定端约束

10.施加位移载荷，分两个步骤。第一，在右下角处施加x方向5mm 的面位移，写入载荷步“lswrite，1”；

图13.第一次加位移

第二,在右下角处施加2mm的面位移，写入载荷步“lswrite，2”。

图14.第二次加位移

图15.施加位移后的图像

11.设置载荷步进行分步求解

图16.设置求解步骤

12.分布求解

图17.分布求解

13.查看等效应力云图。

图18.位移为5mm时的等效应力图

图19.位移为2mm的时等效应力图

14.导出应力最大点的等效应力和应变的数据。

图20.导出数据15.用excel将数据打开，绘成散点图。

图21.应力应变图

思维扩展：

牙套在使用过程中，由于人在咀嚼食物的过程中，食物对牙齿有一个压力，因为牙套的固定作用使得压力作用在牙套上，而在平时不吃东西时，牙套只受到了2mm的残余压力作用，那么牙套在受到压力的反复作用时，是否记忆金属还能恢复到原来的形状呢？

试验步骤：

1.步骤同前建立相同的模型

图22.模型

2.施加载荷，分为三步

第一步，将左上角的面固定住，右下角施加x方向2mm的位移，写入载荷步“lswrite，1”。

图23.施加固定端约束

图24.施加位移约束

图25.施加位移约束后

第二步，在上弧端内部节点施加x方向的力30N。写入载荷步“lswrite，2”。

图26.施加力后的图像

第三步，在同样的节点上施加x方向的力为0，写入载荷步“lswrite，3”。

3.设置载荷步进行求解

图27.载荷步设置

4.进行求解。查看每一步结束后的等效应力图

图28.只有位移约束下的等效应力

图29.加力后的等效应力

5.

图31.应力应变曲线

结论：

由上图的应力应变曲线我们能够看出，记忆金属除了在受到大变形能够恢复到原状外，在受到反复力的作用时也是能够恢复到原状的，但是这两种约束方式之间是存在不同的。不同点有2。

第一，第一种位移约束方式的应力变化趋于缓和，最大应力也只有700MPa左右，第二种加力的方式会存在集中力过大的现象，由上图可以看出，应力的最大值逼近1200MPa。这有可能使记忆金属发生局部损坏。

第二，第一种位移约束方式的应力应变曲线呈现一种典型的P 字形，而第二种加力方式并不是直接达到最大的应力，而是有一段趋于缓和阶段，这个阶段中应变变化很大而应力基本保持平稳。而且在卸载的过程中，应力应变的变化会存在一个线性阶段，当应力下降到与第一种P字形相同的应力值时才会收缩。