ANSYS材料非线性记忆金属.doc

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 图30.将力卸掉后的等效应力 5.取加力后等效应力最大的点做应力应变曲线 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。 6