Semi-analytical Model for Superelastic Behavior of Twisted Shape Memory Alloy Microfilament Yarns
Semi-analytical Model for Superelastic Behavior of Twisted Shape Memory Alloy Microfilament Yarns
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加捻形状记忆合金微丝超弹性行为的半解析模型
DOI：
10.1007/s40830-021-00314-5
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发表时间：
2021
影响因子：
2.2
通讯作者：
Abel, Julianna
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Weinberg, Charles A.;Cai, Song;Schaffer, Jeremy;Abel, Julianna
制造工艺的改进使得形状记忆合金（SMA）能够集成到新的形状因子中，从而为工程应用提供定制的解决方案。在这些形状因素中，多功能加捻SMA微丝纱线提供可定制的超弹性行为，改进的致动位移，以及增加的灵活性，用于医疗设备，防御结构和可穿戴技术的纺织品中的集成。然而，对加捻SMA纱线的基本物理特性缺乏了解限制了功能化SMA纺织品的潜力。本文建立了超弹性SMA加捻纱细观力学的半解析模型，以预测其宏观力学行为。使用SMA本构方程内重新定义的传统纱线模型，跟踪到预测的宏观尺度纱线力的中尺度纱线元素内的微丝的材料相的演变。通过验证，该模型预测了纱线响应的函数依赖性，包括有效模量和相变动力学，捻度。该模型填补了制造具有所需机械特性的SMA纱线所需的知识空白，限制应用应变以避免失效，并实现一致的循环行为。该模型提供了一个框架，用于建模形状记忆效应的SMA微丝纱线，并建立了一个理解SMA纱线内实施纺织模型。
Manufacturing improvements have enabled the integration of shape memory alloys (SMA) into novel form factors to offer tailored solutions to engineering applications. Of these form factors, multifunctional twisted SMA microfilament yarns offer tailorable superelastic behavior, improved actuation displacements, and increased flexibility for integration within textiles for medical devices, defense structures, and wearable technologies. However, the lack of understanding of the underlying physics of twisted SMA yarns limits the potential in functionalized SMA textiles. This paper develops a semi-analytical model of the micro-scale mechanics of superelastic SMA-twisted yarns to predict their macroscopic mechanical behavior. Using traditional yarn models redefined within SMA constitutive equations, the evolution of material phases of the microfilaments within the mesoscale yarn element is tracked to the predicted macroscale yarn force. Through validation, the functional dependence of the yarn response, including effective modulus and phase transition dynamics, on twist is predicted by the model. The model fills a knowledge gap necessary for manufacturing SMA yarns with desired mechanical characteristics, limiting application strains to avoid failure, and achieving consistent cycled behavior. The model provides a framework for modeling the shape memory effect in SMA microfilament yarns and establishes an understanding of SMA yarns for implementation within textile models.
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通讯作者：
Y. Toi;Jong-Bin Lee;M. Taya
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