Shape memory alloy wire-woven structures are energy-absorbing structures capable of recovering their shape after undergoing large deformations. Traditional mechanical buffer structures have limited energy absorption capacity, while common energy-absorbing structures dissipate energy through plastic deformation but cannot be reused, each presenting its own limitations. In contrast, shape memory alloy wire-woven structures combine high energy absorption with reusability. This study employs a design approach integrated with finite element simulations and optimization to investigate the mechanical behavior and energy absorption characteristics of shape memory alloy wire-woven structures during loading and unloading under different configurations and parameters. The specific research objectives are as follows:

(1) Propose an optimization design method for shape memory alloy wire-woven structures. 

The concepts of yarns, planes, and systems within wire-woven structures, defining various types of wire-woven wires and their relationships with planes and systems to provide a foundational basis for the design of wire-woven structures are established. Multiple performance evaluation criteria, such as loss factor, crushing force efficiency, and secant stiffness, to assess the performance of shape memory alloy wire-woven structures are introduced. Ls-Opt is utilized to construct a surrogate model and conduct optimization, employing the sequential response surface method to reduce the number of simulations. Through multiple iterative optimizations of the parameterized finite element model, an efficient optimization design for wire-woven structures is ultimately achieved.

(2) Validate the finite element model in simulating shape memory alloy wire-woven structures with beam elements. 

In the finite element simulation of wire-woven structures, beam elements are used to discretize the shape memory alloy wires to simplify computation. First, the material model MAT30 in LS-DYNA is validated. Then, the beam element formulation is verified using experimental results of SUS304 stainless steel WBC structures. Additionally, the applicability of the beam element finite element model and the MAT30 material model to superelastic shape memory alloy wire-woven structures is validated through compression tests of NiTi 508 alloy springs and single-layer "Circular Spring Kagome" structures made of shape memory alloy.

(3) Analyze the mechanical response of two wire-woven structures made of superelastic shape memory alloys. 

Finite element simulations are conducted for WBD and WBC structures, evaluating their performance using metrics such as the loss factor. The internal design parameters of the superior WBD structure are further optimized. Compared to the initial configuration, the optimized structure exhibits improvements in buffering and energy absorption performance. However, due to the structural form and inherent deformation modes, the improvement is limited.

(4) Design and analysis of novel wire-woven structures using superelastic shape memory alloys. 

Based on the limitations of existing wire-woven structures, various new designs are proposed to enhance energy absorption and shape recovery capabilities. Finite element simulations and analyses are conducted to evaluate their performance. The mechanical behavior of these wire-woven structures is further examined under different loading conditions, with a focus on the effects of weaving density and other parameters. Among the new structures, the SWVW configuration demonstrates a stable deformation mode suitable for large compression deformations. As a result, SWVW is selected as the optimal structure for further optimization. The results indicate that, compared to the initial configuration, the optimized structure exhibits significant improvements in buffering and energy absorption performance, along with enhanced load-bearing capacity, providing a design approach to improve the damping characteristics of novel superelastic shape memory alloy wire-woven structures.

Superelastiska formminneslegeringsbaserade trådvävda strukturer är energiabsorberande strukturer som kan återfå sin form efter att ha genomgått stora deformationer. Traditionella mekaniska buffertstrukturer har begränsad energiabsorptionskapacitet, medan vanliga energiabsorberande strukturer dissiperar energi genom plastisk deformation men kan inte återanvändas, vilket medför begränsningar. Däremot kombinerar trådvävda strukturer av formminneslegering hög energiabsorption med återanvändbarhet. Denna studie använder en designmetod integrerad med finita element-simuleringar och optimering för att undersöka de mekaniska egenskaperna och energiabsorptionsförmågan hos trådvävda strukturer av formminneslegering under lastning och avlastning vid olika konfigurationer och parametrar. De specifika forskningsmålen är följande:

(1) Föreslå en optimeringsmetod för design av trådvävda strukturer av formminneslegering.

Etablera begreppen garn, plan och system inom trådvävda strukturer och definiera olika typer av trådvävda trådar samt deras relationer till plan och system för att skapa en grundläggande bas för design. Införa flera prestandautvärderingskriterier, såsom förlustfaktor, krosseffektivitet och sekantstyvhet, för att bedöma prestandan hos trådvävda strukturer. Använda Ls-Opt för att konstruera en surrogate-modell och genomföra optimering med sekventiell responsytametod för att minska antalet simuleringar. Genom flera iterativa optimeringar av den parametiserade finit-element-modellen uppnås slutligen en effektiv designoptimering för trådvävda strukturer.

(2) Validera finit-element-modellen för simulering av trådvävda strukturer med beam-element.

Vid finit-element-simulering av trådvävda strukturer används beam-element för att diskretisera formminneslegeringstrådar och förenkla beräkningarna. Först valideras materialmodellen MAT30 i LS-DYNA. Därefter verifieras beam-element-formuleringen med experimentella resultat från SUS304 rostfria stålkonstruktioner av WBC-typ. Dessutom valideras tillämpbarheten av beam-element-finit-element-modellen och materialmodellen MAT30 på superelastiska formminneslegeringsbaserade trådvävda strukturer genom kompressionstester på NiTi 508-legeringsfjädrar och enkelskiktsstrukturer av typen ”Circular Spring Kagome” tillverkade av formminneslegering.

(3) Analysera de mekaniska egenskaperna hos två trådvävda strukturer tillverkade av superelastiska formminneslegeringar.

Finit-element-simuleringar genomförs för WBD- och WBC-strukturer, där prestanda utvärderas med parametrar som förlustfaktor. De interna designparametrarna för den överlägsna WBD-strukturen optimeras vidare. Jämfört med den ursprungliga konfigurationen uppvisar den optimerade strukturen vissa förbättringar i buffring och energiabsorption. På grund av strukturformen och de inneboende deformationslägena är förbättringarna dock begränsade.

(4) Design och analys av nya trådvävda strukturer med superelastiska formminneslegeringar.

Med utgångspunkt i befintliga trådvävda strukturers begränsningar föreslås flera nya designer för att förbättra energiabsorptions- och formåterhämtningsförmågan. Finit-element-simuleringar och analyser genomförs för att utvärdera deras prestanda. De mekaniska egenskaperna hos dessa trådvävda strukturer undersöks vidare under olika lastförhållanden, med särskilt fokus på effekterna av vävtäthet och andra parametrar. Bland de nya strukturerna uppvisar SWVW-konfigurationen ett stabilt deformationsläge som är lämpligt för stora kompressionsdeformationer. SWVW väljs därför som den optimala strukturen för vidare optimering. Resultaten visar att den optimerade strukturen, jämfört med den ursprungliga konfigurationen, har avsevärt förbättrad buffrings- och energiabsorptionsprestanda samt ökad lastbärande kapacitet. Detta ger en designmetod för att förbättra dämpningsegenskaperna hos nya superelastiska formminneslegeringsbaserade trådvävda strukturer.