Thermomechanical response of Shape Memory Alloys in pure torsion: experimental characterization and numerical modeling

Shape Memory Alloys (SMAs) have emerged as promising smart materials in the aerospace sector due to their intrinsic actuation capabilities, compactness, reliability and high actuation energy density. Among the various actuation modes, torsional SMA actuators offer significant advantages by eliminating the need for complex mechanical linkages typically required to convert linear actuator motion into rotational movement. This work focuses on the experimental characterization and numerical modeling of a tubular NiTi SMA element operating in torsion, with the aim of supporting its implementation in torsional actuator designs. The experimental campaign included both isobaric thermomechanical cycles and monotonic isothermal torsion tests. Based on the results, a constitutive model capable of reproducing the torsional response of the SMA was employed. To calibrate the model parameters accurately, an inverse analysis approach was adopted. The methodology presented provides a reliable framework for the characterization and modeling of SMA components under torsional loads and offers valuable insights for the design of torsional actuators.

Le leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMAs) si sono affermate come materiali intelligenti promettenti nel settore aerospaziale grazie alla loro capacità attuativa intrinseca, compattezza, affidabilità ed elevata densità di energia di attuazione. Tra le diverse modalità di attuazione, gli attuatori torsionali in SMA offrono vantaggi significativi, eliminando la necessità di cinematismi complessi solitamente richiesti per convertire un moto lineare in un movimento rotatorio. Il presente lavoro si concentra sulla caratterizzazione e sulla modellazione numerica di un elemento tubolare in lega NiTi in torsione, con l'obiettivo di ottenere uno strumento di simulazione utile per la progettazione di attuatori torsionali. La campagna sperimentale ha incluso sia cicli termomeccanici isobari sia prove monotone isoterme in torsione. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato impiegato un modello costitutivo in grado di riprodurre la risposta torsionale del materiale. Per calibrare con precisione i parametri del modello, è stata adottata un’analisi inversa. La metodologia proposta rappresenta un riferimento solido per la caratterizzazione e la modellazione di componenti in SMA soggetti a carichi torsionali, offrendo indicazioni utili alla progettazione di attuatori torsionali.