Ansys | 基于热效应的形状记忆合金脊柱间隔器仿真分析

形状记忆合金（SMA）能够在发生大变形后不产生残余应变（伪弹性），并且可以通过温度变化从大变形中恢复（形状记忆效应）。伪弹性和形状记忆效应使其特别适用于航空航天、生物医学和结构工程等领域。本仿真模拟了将形状记忆合金用作脊柱间隔器的过程。

目标

• 熟悉形状记忆合金
• 理解考虑热效应的形状记忆合金建模流程

建模步骤

1. 在 ANSYS Workbench 中创建静力结构系统。定义形状记忆合金的材料属性（表 1）。

表 1. 脊柱间隔器材料属性

2、导入几何模型。脊柱间隔器植入物的几何形状如图 1 所示。由于对称性，仅创建1/4 模型。在ANSYS Mechanical 中对几何体进行网格划分。

图 1. 四分之一间隔器几何模型示意图

3、定义分析设置和边界条件。共创建六个分析步。

3.1 第一步，在刚性板上施加-3.375mm 的位移以压缩脊柱间隔器；第二步开始时，移除位移，使间隔器可以自由变形。

3.2 从第三步开始施加热载荷，温度从23.85℃ 升高到 37.85℃。在此期间，由于未发生相变，间隔器的形状保持不变。第四步，温度从 37.85℃ 升高到 50.85℃，由于此步中未发生主要的相变，计算再次快速收敛。第五步，温度升高到 51.85℃，收敛速度变慢，大部分形状恢复发生在此步中。第六步，将温度冷却至 37.85℃，间隔器的形状保持不变。

图 2. 温度条件示意图

4、运行仿真。不同温度下间隔器的变形和应力云图如图3所示。

图 3. 不同温度下的应力云图

（a）23.85℃ 时的等效应力云图

（b）51.85℃ 时的等效应力云图

总结

本仿真演示了如何模拟由形状记忆合金制成的脊柱间隔器。通过力学加载和温度变化，模拟了变形过程和形状恢复过程。

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