Abaqus2022新功能系列(3):材料

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了Abaqus 2022新功能系列中的材料部分，包括屈服应力外推、材料增强功能、多尺度材料建模增强功能、固化建模、低密度泡沫模型的增强、热变学简单粘弹性材料的位移函数的表格定义、全耦合热应力分析、用于橡胶类材料的Valanis-Landel超弹性形式、结合用户材料控制壳体单元横向剪切刚度、提高低渗透率材料的固结分析的准确性、LaRC05和Hosford-Coulomb损伤初始标准以及冶金相变。

接着Abaqus 2022新功能系列（1）、Abaqus2022新功能系列（2），继续讲解Abaqus2022新功能。

4. 材料

本节讨论新的材料模型或对现有材料模型的更改。

4.1 屈服应力外推

现在，可以选择用于评估超出指定范围的等效塑性应变的屈服应力的方法。

以前，在此范围之外使用屈服应力的恒定值。现在，除了常量外推之外，还可以使用线性外推。对于线性外推，Abaqus通过假设数据两个端点给出的斜率保持不变，来评估指定范围之外的屈服应力。如果指定线性外推，则仅影响屈服应力相对于等效塑性应变的外推;常量外推仍用于其他自变量（例如，温度和预定义的字段变量）。

此功能提供了一种将线性淬火行为扩展到更大应变范围的简单方法。这种行为通常比使用恒定值更可取，这意味着材料是完全可塑的，这可能会导致收敛问题。虽然可以通过添加一个额外的数据点来定义没有此功能的线性硬化，但这很不方便，因为它需要猜测等效塑性应变在分析过程中变化的范围。此外，在非常大的等效塑性应变值处指定数据点可能会导致Abaqus/Explicit中的正则化方案失败。可以通过使用此新功能指定线性外推来避免上述问题。

在下面的示例中，屈服应力取决于表1中指定的等效塑性应变。试样承受单轴张力载荷，使得等效塑性应变的值超过表1中给出的值。使用屈服应力的恒定和线性外推进行两项分析。图 1比较了结果。

4.2 Abaqus/CAE中的材料增强功能

对于Abaqus/Explicit中的弹性材料行为，可以指定平面应力中的正交各向异性弹性，而在拉伸和压缩方面具有不同的模量。在Abaqus/Explicit中，现在可以定义一个正交各向异性材料，该材料在平面应力中的拉伸和压缩具有不同的杨氏模量和泊松比。

4.3 多尺度材料建模增强功能

多尺度材料模型现在支持其他单元，这增强了Abaqus对纤维增强复合材料层压板进行建模的能力。

现在，可以将多尺度材料模型与二维连续体单元、三维常规壳单元和膜单元一起使用。以前，只能将多尺度材料模型用于三维连续元素。

借助可用于壳体单元的多尺度模型，现在可以在组成级别为纤维和基质指定损伤起始标准，以对薄结构的强度进行建模。在以前的版本中，只能在层级别指定损坏起始条件。

在纤维增强环氧层的多尺度模型中提出的示例问题中，纤维金属层压板中的纤维增强环氧层是用多尺度材料模型建模的。在多尺度模型中，损伤的发起和演化在构成层面上进行建模。连续体壳元素用于对纤维增强环氧树脂层进行建模。

多尺度模型预测的光纤和基质损伤模式如图1和图2所示。多尺度模型预测的损伤模式与Hashin损伤模型的损伤模式相似，并且两者都与实验观察结果一致。可以在纤维增强环氧树脂层的多尺度模型中找到详细信息。

4.4 固化建模

现在，可以使用Abaqus固化建模功能来分析固化过程中材料特性和应变的演变。

固化过程可以在热固性聚合物（如粘合剂）的使用中发挥重要作用。固化过程通常在高温下被激活，从而引发聚合物中的交联过程。该过程是放热的（随着固化反应的进展而产生热量），并且由于化学键的形成而产生永久性收缩应变。在此过程中产生的热应变和收缩应变会导致残余应力，这些应力可能对粘附物有害，或在粘合组件中引起翘曲和变形。因此，正确预测收缩和残余应力非常重要。

Abaqus提供了一套新的建模功能，用于分析材料在固化过程中的热机械响应。这些功能作为专用材料模型实现，并利用与解相关的状态变量。Abaqus使用Kamal方程或转化率表来模拟反应动力学并计算固化程度。它还计算固化过程中释放的热量以及热应变和收缩应变，以及温度和固化对材料机械性能的影响。

图1显示了应用于瓦特收缩测试样品的固化建模功能的示例（由3M公司提供）（Watts and Cash，1991）。放置在两个玻璃板之间的圆盘形粘合试样进行固化，然后冷却。图2和图3显示了固化过程中试样中的温度和固化程度（即转化率）。冷却后由于收缩应变引起的试样偏转如图4所示。图5显示了粘合剂内样品点固化程度的演变。最初，转换的值缓慢增加，然后在该位置达到临界温度后迅速增长。弹性模量和其他机械性能是这种转换历史的函数而演变的。

4.5 低密度泡沫模型的增强

现在，可以使用低密度泡沫模型对几乎不可压缩的材料进行建模。

低密度泡沫模型主要用于模拟在工业中广泛用作能量吸收材料的高可压缩弹性泡沫。但是，也可以成功使用此模型对几乎不可压缩的聚合物进行建模。这种增强功能通过从总拉伸的配方切换到使用偏差拉伸的配方，提高了解决方案在对几乎不可压缩的材料进行建模时的鲁棒性。如果指定数据的泊松比值大于 0.475，Abaqus 会自动执行此公式更改。在这种情况下，您应该使用混合元素来进一步提高鲁棒性。

下图显示了使用Abaqus/Standard获得的半球形冲头的弹性泡沫试样压痕的应力结果，该试样使用总配方和带有杂化元素的偏斜配方。泡沫使用几乎不可压缩的材料建模，初始泊松比为0.496，因此在这种情况下，建议使用杂化元素的偏差公式。两个模型的结果相似。但是，使用总公式的模型需要 361 次迭代，而使用具有混合元素的偏差公式的模型只需要 227 次迭代，这代表了性能的大幅提升。

4.6 热变学简单粘弹性材料的位移函数的表格定义

现在，可以以表格形式指定热流变简单 （TRS） 材料的时温偏移函数。

除了现有的 Williams-Landel-Ferry、Arrhenius 和用户定义的表单之外，现在还提供了用于指定 shift 函数的表格表单。表格形式提供了一种简单的方法来定义由动态机械热分析（DMTA）测试确定的移位函数。当数据不符合分析中目标温度范围的威廉姆斯-朗德尔-费里或阿伦尼乌斯形式时，此定义特别有用。此方法避免了在用户子例程UTRS或VUTRS中定义移位函数的需要。使用表格形式时，必须将移位函数的对数指定为温度和/或字段变量的函数。

这种形式与较高温度下的威廉姆斯-兰德尔-费里形式相同，但在较低温度下产生较小的偏移因子，如图所示。威廉姆斯-兰德尔-费里形态预测的偏移因子在较低温度下迅速增加，并且经常显示预测值和测量值之间的差异。Kaelble形式在此温度范围内预测的较低值通常与实验结果具有更好的相关性，例如在沥青混合物的情况下。

4.7 双向织物增强复合材料的渐进式损坏和失效

Abaqus/Explicit中提供了具有双层弹性和剪切塑性的层织物损伤起始准则，用于双向织物增强复合材料的渐进损伤建模和仿真。将取代以前在Abaqus/Explicit中提供的ABQ_PLY_FABRIC内置用户材料。

新功能适用于对双向织物增强复合材料的响应进行建模。它用于在动态载荷条件下模拟织物增强复合材料结构。常见应用包括鸟撞击和轮胎碎屑对复合材料机身的影响。

本构模型假设纤维方向是正交的，并且与材料取向系统的局部1和2方向对齐，如图1所示。

双向织物增强层被建模为均匀的正交各向异性弹性材料，在拉伸和压缩（双层弹性）下可能具有不同的弹性刚度，并且由于纤维破裂/扭结以及基质开裂而具有维持进行性刚度退化的潜力。面内剪切响应由基体的非线性行为主导，如图2所示，其中可能包括速率相关的塑性和由于基质微裂化引起的刚度退化。新的层织物损坏起始准则可用于预测损坏的发生。您可以将此准则与损伤演化定律相结合，以便在达到相应的起始准则后控制材料刚度的退化速率。该模型还为材料失效和单元去除标准提供了灵活性。

图3和图4显示了鸟类撞击撞击飞机机翼结构前缘的模拟示例，取自Al-Khalil等人（2015）。J-Nose面板由碳纤维编织织物制成，带有蜂窝芯。层织物损坏准则用于对机织物复合材料进行建模。仿真考虑了非线性剪切塑性效应。如参考文献中所述，该模型捕获了撞击事件期间适当的能量吸收量。图4还显示，该方法能够预测J-Nose结构的损伤和穿透的开始。总体而言，仿真结果与物理测试结果密切相关，证明了模型的预测能力。

4.8 在分析中忽略与速率相关的响应

现在，可以在一个步骤内打开和关闭与速率相关的产量和摩擦。

默认情况下，Abaqus包括与速率相关的材料行为，其应变速率相关的屈服率和接触行为与滑移速率相关的摩擦，即使对于静态过程也是如此。现在，可以选择在以下分析过程中指定忽略步骤中的这些速率相关行为：

• 静态分析（静态应力分析）
• 准静态隐式动态分析（使用直接积分的隐式动态分析）
• 全耦合热应力分析（全耦合热应力分析）
• 全耦合热电结构分析（全耦合热电结构分析）

4.9 用于橡胶类材料的Valanis-Landel超弹性形式

现在，可以使用 Valanis-Landel 超弹性模型来分析材料行为。

Valanis-Landel模型是一个各向同性超弹性模型，其中超弹性电位被写为主拉伸的三个可分离的相同函数（Valanis-Landel形式）。在Abaqus 中，通过指定单轴测试数据来定义模型，该数据必须同时包含来自拉伸测试和压缩测试的数据。Abaqus计算应变能势，该势能精确地再现指定的测试数据。该模型类似于Abaqus中的Marlow模型（Marlow形式）。两种模型都可以精确地再现指定的数据。但是，Valanis-Landel 模型允许您同时指定拉伸和压缩数据，而 Marlow 模型允许您指定拉伸或压缩数据。

4.10 将材料属性指定为材料点信息函数的增强功能

通过引入字段变量依赖关系并将字段变量直接与材料点输出变量相关联，可以将材料属性指定为材料点状态的函数。

此新功能允许您将字段变量与可用作输出变量的标量值材料点数量直接关联。可以将大多数Abaqus材料属性定义为场变量的函数，这些变量在模拟过程中可能随空间和时间而变化。Abaqus传统上支持在增量内重新定义字段变量，作为材料点信息的函数，使用用户子例程USDFLD和VUSDFLD结合实用程序例程GETVRM和VGETVRM。这项新功能消除了为字段变量编写用户子例程的需要，这些字段变量对应于可用作输出变量的数量。

4.11 Abaqus/Explicit Band-limited带限阻尼

Abaqus/Explicit中的Band-limited阻尼允许在指定的频率范围内应用所需的均匀阻尼比。

Abaqus/Explicit中的Band-limited阻尼近似于临界阻尼的均匀分数，ηd，在您指定的频率范围内，该频率范围之外的阻尼很小。此功能提供专注于中频范围的阻尼，而刚度比例（β）阻尼侧重于高频，质量成比例（α）阻尼侧重于低频。

如果模型的最高频率不包括在阻尼范围内，则Band-limited阻尼可避免降低稳定时间增量，而刚度比例阻尼可以显着降低稳定时间增量。Band-limited阻尼会导致每次增量的计算时间小幅增加。与刚度比例阻尼相比，Band-limited阻尼相对于无阻尼固有频率影响振荡频率的趋势更大。

可以通过定义低频截止值和高频截止值来指定频率范围。可以定义所需的阻尼比，ηd，作为温度和/或场变量的表格函数，用于定义Band-limited阻尼。

4.12 增强型短纤维增强复合材料的建模

改进了短纤维增强复合材料的建模。

对于短纤维增强复合材料，如果基体材料是各向同性的，并且纤维材料是各向同性的或横向各向同性的，那么您现在可以直接定义其弹性。指定定向张量（描述纤维的色散）和纤维对齐时复合材料的弹性模量。对于注塑成型零件（见图1），方向张量的分布通常来自注塑成型模拟，主要受注塑浇口位置的影响。

对于具有非线性组成特性的短纤维增强复合材料，需要均值场均质化以更好地预测材料行为。现在，您可以指定用于方向分布函数 （ODF） 重建的闭包近似值。ODF重建也得到了改进，以更好地恢复方向张量。

4.13 结合用户材料控制壳体单元横向剪切刚度

现在，当使用用户定义的材料行为时，用户可控制壳体单元的横向剪切刚度，Abaqus/Explicit中，现在可以控制壳体单元在材料损坏时横向剪切刚度的缩放，将TVS 损伤参数设置为等于控制壳体单元横向剪切刚度缩放的状态变量数。横向剪切刚度比例因子是使用您定义的状态变量值部分的加权平均值计算，由此产生的横向剪切刚度缩放系数用于缩放壳单元的横向剪切刚度。

 4.14 提高低渗透率材料的固结分析的准确性

现在可以使用一种局部稳定方法，将压力投射到应变空间中，以消除固结分析中的杂散振荡。

Abaqus/标准固结分析中使用的积分过程可能会在孔隙压力溶液中引入杂散振荡，从而在分析中需要最少的时间增量。对于渗透率非常低的材料，需要具有非常小单元长度的高度精细的网格，以满足最小时间增量以获得精确的解决方案。这些时间增量和网格大小要求对于实际问题可能不可行。断裂分析中竞争时间增量要求是另一个复杂因素。

现在可以使用一种局部稳定方法，将压力投射到应变空间中，以消除杂散振荡。此方法仅适用于具有完全积分的一阶固体连续体元素。应用稳定时，应确保与施加的助焊剂和由于模型中规定的压力而导致的反应液体积通量相比，稳定后的粘性流体体积通量相对较小。

4.15 LaRC05 和 Hosford-Coulomb 损伤初始标准

LaRC05损伤起始准则，现在在Abaqus/Standard中可用，Hosford-Coulomb损伤起始准则现在在Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit中可用。可以对Abaqus/Standard中的聚合物-基质纤维增强复合材料使用 LaRC05 损伤初始准则，在 Abaqus/Standard 和Abaqus/Explicit中使用 Hosford-Coulomb 损伤初始准则对延展性材料使用。

 4.16 冶金相变

现在，可以在增材制造工艺或热处理工艺期间对冶金相变进行建模。

Abaqus提供了适用于任意金属合金的通用冶金相变框架。该框架考虑了材料物理状态的变化，从原料进料（即原材料，如金属粉末）到熔化和凝固，然后是由快速加热或冷却事件引起的冶金固态相变。这些事件与典型的三维打印序列有关，但也与热处理应用相关的缓慢温度演变有关。

对于给定的金属合金，您可以通过基于规则的父子关系定义所有可能的固相及其相应的变换。通过指定温度条件和变换类型（无论是可逆变换、扩散变换还是马氏体（非扩散型））来定义变换规则。或者，可以直接向Abaqus提供时间 - 温度 - 变换（TTT）图，以校准变换定律的系数。Abaqus根据每个材料点的温度演变来预测印刷和热处理过程中的相变。晶粒形态和晶粒尺寸评估模型也可以包含在模拟中。

4.17 Abaqus/CAE 2021 FD03 中的材料增强功能

几项增强功能提高了Abaqus/CAE中建模材料的可用性。此功能在Abaqus 2021 FD03 （FP.2042）版本中首次提供。 

• "分区管理器"具有"材料"列，可轻松识别与每个部分关联的材料。
• 您可以创建间隙电导、间隙辐射和对流材料行为。
• 对于蠕变模型，可以指定时间类型（总或蠕变）以及阿南德定律、达沃定律和双倍幂律。
• 对于电容塑性模型，可以指定时间类型（总计或蠕变）以及幂次幂律。
• 对于粘性模型，可以指定时间类型（总计或蠕变）以及阿南德、达沃、双倍幂、幂和时间幂律。
• 对于德鲁克-普拉格蠕变模型，可以指定时间类型（总或蠕变）以及幂和时间幂律。
• 对于塑性模型，可以缩放屈服应力，并将静态恢复项与非线性各向同性/运动学硬化模型包括在内。
• 对于间隙流动模型，可以选择宾厄姆塑性或赫歇尔-布尔克利类型来指定要如何定义流动参数。
• 对于用户材料模型，可以指示用户子例程VUMAT包含Abaqus/Explicit分析的有效模量，并在Abaqus/Standard分析中指定杂交单元的杂交公式。