CAE软件操作小百科(56)

1形状记忆合金有什么特性？

形状记忆合金（shape memory alloy， SMA）可以具有3種不同晶体结构，即孪晶马氏体、非孪晶马氏体和奥氏体。马氏体结构在低温下稳定，奥氏体结构在高温下稳定。当SMA被加热时，马氏体SMA转变为奥氏体SMA。奥氏体相变开始温度As是这种转变开始的温度，奥氏体相变结束温度Af是这种转变完成的温度。SMA一旦被加热到As以上，就开始收缩并转变为奥氏体结构，即恢复到原来的形状，这种转变即使在高负载下也是可能的。在冷却过程中，奥氏体结构在温度达到马氏体相变起始温度Ms时开始恢复为马氏体结构，并在达到马氏体相变终止温度Mf时完成。马氏体不再产生应力的最高温度为Md，在此温度以上，SMA会像任何普通金属材料一样永久变形。这些形状变化效应被称为形状记忆效应和伪弹性（或超弹性）。形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应（one way shape memory effect， OWSME）。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应（two way shape memory effect，TWSME）。伪弹性（Pseudoelasticity， PE）或超弹性（Superelasticity， SE）是指温度在Af与Md之间时，对形状记忆合金施加机械载荷，在卸载后SMA恢复其原始形状的性能，这2个性能无需任何热激活。

2如何用Abaqus进行伪弹性仿真？2017版本之前的Abaqus只能通过用户子程序定义相关的记忆合金本构;在2017版本之后，其材料库中加入Super elasticity材料描述形状记忆合金。Super elasticity材料采用基于Auricchio的多线性简化模型，能简单仿真基本的超弹性性能，但无法模拟预应变以及复杂且精确的本构模型。此外，许多学者开发SMA的数值模型，如基于有限应变的Jaber三维SMA本构模型、Lagoudas的统一本构模型等。当材料所处的环境温度高于奥氏体相变结束的临界温度Af时，材料处于奥氏体相的热力学稳定状态，马氏体相处于不稳定状态。在此温度下，应力诱发的马氏体相变与温度诱发的马氏体相变有所不同，应力诱发所产生的马氏体相变不是自适应的，材料会产生很大的变形（大于5%），卸载以后材料产生的变形将会完全消失，因此称为超弹性。超弹性材料的应力-应变示意见图1。

实现超弹性材料的使用可以通过在Abaqus中添加材料实现，具体步骤为Property→Mechanical→Super Elasticity。

3如何使用Abaqus进行记忆效应仿真截至目前版本Abaqus 2021，Abaqus软件仍无法直接使用自带的本构材料实现单程记忆效应模拟，需要借用UMAT才可以进行记忆效应仿真。使用UMAT进行仿真时常见的问题有以下几个方面。（1）Abaqus如何配置用户子程序以Abaqus 2021为例，依次安装Abaqus 2021、Visual Studio 2019和Intel Parallel Studio XE 2020，打开Abaqus CAE所在位置，找到launcher.bat，里面内容为：

@echo off

call "C：＼＼SIMULIA＼＼Commands＼＼abq2021.bat" %*找到并打开abq2021.bat，里面内容为：

@echo off

setlocal

set ABA_COMMAND=%～nx0

set ABA_COMMAND_FULL=%～f0

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

Endlocal在第一行后面加入语句：

@Call "C：＼＼Program Files （x86）＼＼IntelSWTools＼＼compilers_and_libraries_2020.0.166＼＼windows＼＼bin＼＼ifortvars.bat" intel64 vs2019应注意软件版本号是否对应，运行Abaqus Verification，查看所有项目，都通过后即可使用。（2）如何选择分析步类型在使用UMAT进行记忆效应仿真时，可以选择准静态或隐式动力学分析步，但是不可以使用显式动力学分析步，若需要使用显式动力学则需使用VUMAT。（3）如何选择单元类型若只是简单模拟形状记忆效应，温度通过预定义场添加，则选择C3D8I单元类型，选取非协调模式以及开启2阶精度，以便更好地收敛，单元类型设置窗口见图2。

若需要模拟电、热、力三场耦合，则需要选择Q3D8单元类型，见图3。

（摘自同济大学郑百林教授《CAE操作技能与实践》课堂讲义）

收稿日期：  2021-11-17

作者简介： 周俊武（1998—），男，浙江温州人，硕士研究生，研究方向为锂离子电池充放电扩散诱导应力及其本构关系，（E-mail）530652499@qq.com