Abaqus2023新功能(4): 材料
接着Abaqus2023新功能(1): CAE、Abaqus2023新功能(2): 分析程序 、Abaqus2023新功能(3): 分析技术 继续讲解Abaqus2023在材料方面的增强或新增功能。
产品：Abaqus/Standard
现在，可以使用新的关键字对Abaqus/Standard 定义固化建模，此功能在 Abaqus 2022 FD04（FP.2232）版本中首次提供。
固化过程在热固性聚合物（如粘合剂）的使用中起着重要作用。固化过程通常在高温下被激活，从而启动聚合物中的交联过程。该过程是放热的（随着固化反应的进行产生热量），并且由于化学键的形成而产生永久性收缩应变。在加工过程中产生的热应变和收缩应变会导致残余应力，这些残余应力可能对粘附物有害或引起粘合组件的翘曲和变形。因此，正确预测收缩和残余应力非常重要。
自 Abaqus 2021 FD06（FP.2116） 发布以来，Abaqus/Standard 中已提供固化建模功能，作为基于内置用户定义材料选项的专用材料建模功能。这些功能的集成版本现在在 Abaqus/Standard 中可用，其中包含新的专用选项和输出变量，有助于定义固化模型和分析结果。此外，这些新的固化建模功能还支持更广泛的程序（例如传热）和更多的Abaqus单元类型。
图1显示了应用于Watts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）。放置在两块玻璃板之间的圆盘形粘合剂试样进行固化，然后冷却。图2和图3显示了固化过程中试样的温度和固化（即转化率）分布。由于收缩应变，样品冷却后的挠度如图4所示。图5显示了粘合剂内样品点固化程度的演变。最初，转换值缓慢增加，然后在该位置达到临界温度后迅速进行。弹性模量和其他机械性能随着此转换历史的函数而变化。
图5.固化程度随时间变化
2. 频域粘弹性增强
产品：Abaqus/Standard
现在，可以定义具有正交各向异性或各向异性线弹性行为的频域粘弹性材料模型，此功能在Abaqus 2022 FD04（FP.2232）版本中首次提供。
Abaqus/Standard 中的频域粘弹性模型，通常用于模拟材料在时间谐波变化的载荷条件下的耗散粘弹性损失。以前，频域粘弹性模型只能与各向同性线弹性行为结合使用。现在，还可以使用具有正交各向异性和各向异性弹性行为的频域粘性模型，这种增强功能可以模拟受谐波激励的各向异性材料（如层压结构）的粘弹性耗散。
图1显示了在两侧支撑的板。板在中点受到谐波激励，例如可能是由发动机转子的不平衡力引起的。板材料沿z方向加固；因此，它的响应不是各向同性的，但可以描述为正交各向异性的弹性行为。此外，指定粘弹性以考虑耗散损耗，进行了直接解稳态动态分析，图中点在不同频率下的垂直位移解如图2所示，该图显示了在所检查范围内可能发生位移峰值的两个频率。
图1.受谐波激励的板
3. 瓦拉尼斯-朗德尔Valanis-Landel超弹性模型
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit
现在，可以通过提供体积测试数据来定义 Valanis-Landel 超弹性模型的体积响应。
此功能在 Abaqus 2022 FD04 （FP.2232） 版本中首次在 Abaqus/Explicit 中提供。
Valanis-Landel模型是一种各向同性超弹性模型，其中应变能函数根据指定的测试数据以数值方式确定，该模型可以精确地再现压缩和拉伸测试数据。以前，可以通过指定泊松比的常量值或提供单轴试验的横向应变信息来定义模型的体积响应，此增强功能允许选择指定体积测试数据来校准模型的体积响应。这在体积测试数据和没有横向应变的单轴测试数据可用的情况下很是方便。
在下面的示例中，Valanis-Landel 材料用于模拟图1所示的Boot密封组件中的橡胶密封。轴被建模为刚体，并且指定轴和密封件内表面之间的接触。轴首先绕垂直于轴的轴旋转20°，然后成角度的轴围绕整个圆周移动。使用两种不同方法定义的相同Valanis-Landel材料进行了两个分析。
第一种方法，通过提供单轴测试数据以及图2所示的横向应变来定义材料。在第二种方法，使用无侧向应变的单轴测试数据（图2中的虚线）和体积测试数据（图3）的等效材料定义。正如预期的那样，两种方法的应力结果是相同的，因为使用两种不同的方法指定了相同的材料响应。分析结束时密封件中的应力分布如图4所示。
4. 霍尔扎普费尔-奥格登Holzapfel-Ogden各向异性超弹性模型
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit
现在可以定义由Holzapfel和Ogden提出的新的各向异性超弹性模型，以模拟心肌组织的被动机械响应。此功能在 Abaqus 2022 FD03 （FP.2223）版本中首次提供。
Holzapfel-Ogden各向异性超弹性模型（Holzapfel和Ogden，2009）假设指数形式的基于不变的应变能势，通常用于模拟心肌组织的被动机械响应。应变能势中的指数项可以通过多项式函数线性化/近似化，以避免材料被显著拉伸时的数值溢出。
图 1显示的示例使用Holzapfel-Ogden各向异性超弹性模型，模拟具有液腔压力载荷的四腔心脏模型的被动机械响应，位移场和应力场分别显示在左图和右图中。
图1.四腔心脏模型
5. 卡利斯克-施密特Kaliske-Schmidt各向异性超弹性模型
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit
可以使用Kaliske和他的同事提出的新的各向异性超弹性模型来，模拟增强聚合物材料和生物材料。此功能在Abaqus 2022 FD03 （FP.2223） 版本中首次提供。
Kaliske-Schmidt各向异性超弹性模型（Kaliske等人，2004）以多项式形式使用基于不变的应变能势，该模型适用于增强聚合物材料和生物材料的模拟。
6. 各向异性超弹性模型的新关键字接口
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit
用于定义各向异性超弹性模型的关键字接口已更改。此功能在 Abaqus 2022 FD03 （FP.2223） 版本中首次提供。
对于* ANISOTROPIC HYPERELASTIC，引入新的DEFINITION参数来识别各向异性超弹性材料的应变能函数的形式。以前，使用各个参数来定义表单。
定义各向异性超弹性模型的新接口如下：DEFINITION=FUNG-ANISOTROPIC, FUNG-ORTHOTROPIC, HOLZAPFEL-GASSER-OGDEN, or USER。
例如，以下关键字：
*ANISOTROPIC HYPERELASTIC, HOLZAPFEL被替换为：
*ANISOTROPIC HYPERELASTIC, DEFINITION=HOLZAPFEL-GASSER-OGDEN7. Abaqus/CAE 中的材料增强
产品：Abaqus/CAE
现在可以定义Neuber and Glinka塑性校正以及LaRC05 和Hosford-Coulomb损伤初始准则。此外，还可以为广义梁截面指定材料。此功能在 Abaqus 2023 GA 版本中首次提供。
现在可以定义Abaqus/Explicit的压碎应力材料行为，并且可以定义压碎应力速度系数子选项；可以指定Valanis-Landel超弹性模型；可以指定屈服应力相对于各向同性硬化的等效塑性应变的外推方法。此功能在 Abaqus 2022 FD02（FP.2214） 版本中首次提供。
Abaqus/CAE用法
属性模块：
Material editor: MechanicalCrush StressMaterial editor: MechanicalElasticityHyperelastic: Strain energy potential: Valanis-LandelMaterial editor: MechanicalPlasticityPlastic: Extrapolation
8. 各向异性屈服
产品：Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit
现在各向异性屈服可以与扩展的Drucker-Prager 、可压碎泡沫塑性模型一起使用。此功能在 Abaqus 2022 FD01（FP.2205）版本中首次提供。
各向异性屈服用于在不同方向上表现出不同屈服行为的材料，主要用于复合材料。现在，可以将各向异性屈服与扩展的Drucker-Prager塑性模型一起使用，以获得压力相关屈服，或将可压碎泡沫塑性模型用于能量吸收结构。以前，只能将各向异性屈服用于金属塑性和临界状态（粘土）塑性。
9. Abaqus/Explicit中的多尺度材料建模
产品：Abaqus/Explicit
多尺度材料建模现已在 Abaqus/Explicit 中提供，此功能在 Abaqus 2022 FD01 （FP.2205） 版本中首次提供。
现在，可以使用均质化在 Abaqus/Explicit 中对复合材料进行建模。以前，此材料模型仅在Abaqus/Standard 中可用。均质化方法用于多尺度材料建模，这种方法可以使用组分属性计算复合响应；还可以将复合应变分解为组成应变并计算成分水平响应。平均场均质化方法可用于预测：通过注塑工艺制造的纤维增强复合材料零件的性能；在组分水平上对失效进行建模，模拟纤维增强复合材料的渐进失效也很有用。
在下面图1的示例中，纤维取向是通过注塑成型模拟预测。然后如图2所示，将模型简化为一个简单的圆柱体，并向模型添加一根刚性杆以模拟受载。纤维取向张量场从注塑件映射到缩小的模型，如图2所示。
在注塑过程中，由于浇口位置导致气缸内有“熔接线”；熔接线是在成型过程中流动前沿相遇的线，可能导致结构薄弱。结构分析使用Abaqus/Explicit进行，并使用多尺度材料对塑料零件进行建模。基体材料中指定了具有延展性损伤的塑性，并指定了损伤演变。图3显示了圆柱体的变形形状，正如预期的那样，失效位置与熔接线的位置非常吻合。
图1.注塑件的纤维取向
图2.纤维取向映射到注塑件的简化结构模型
10. 塑性校正
产品：Abaqus/Standard
现在，您可以使用 Neuber 和 Glinka 塑性校正，评估使用纯弹性材料分析的模型中塑性效应。此功能在 Abaqus 2022 FD01 （FP.2205） 版本中首次提供。
塑性校正提供了一种有效的方法来评估基于纯线弹性解的结构中的塑性程度。与完整的非线性弹塑性分析相比，该方法大大降低了计算成本，这在产品早期设计阶段的优化研究或概念设计工作流程中 特别有价值。
Abaqus现在有两种类型的塑性校正：Neuber和Glinka。两种方法都对弹性结果进行校正，以捕捉局部塑性的影响。当荷载条件导致塑性变形局部在小区域时，例如在典型的耐久性荷载工况中，求解的精度通常相当好。但是，对于导致结构扩展塑性变形的载荷条件，建议进行完全非线性分析。除了一般的静态程序外，Neuber和Glinka塑性校正还支持具有多个荷载工况的静态线性扰动程序，这可以进一步大幅减少分析时间。
为了说明该方法的应用，参见图1所示边界条件和载荷影响的汽车的白车身（BIW）模型。图中突出显示的车身部件中的应力和塑性应变是使用Neuber和Glinka规则以及线弹性分析进行估算的。将结果与完整的非线性弹塑性分析获得的结果进行比较，应力和塑性应变结果分别如图2和图3所示。基于塑性校正的预测与使用完整的弹塑性分析获得的预测结果非常吻合，这是意料之中，因为塑性变形在零件的小区域内高度局部化。Neuber规则高估了等效应力和塑性应变，通常情况就是如此。正如预期的那样，Glinka等效应力和塑性应变低于纽伯值。在这种情况下，Glinka规则略微低估弹塑性结果。
11. Abaqus/Explicit中无压缩和无拉伸弹性模型
产品：Abaqus/Explicit
现在,线弹性的无压缩和无拉伸模型在 Abaqus/Explicit 中可用。此功能在 Abaqus 2022 FD01（FP.2205）版本中首次提供。
无压缩和无拉伸模型旨在模拟不应产生压缩或拉伸主应力的线弹性结构。比如，没有压缩刚度的电缆和膜结构。现在可以在Abaqus/Explicit 中使用这些模型，以前，仅在 Abaqus/Standard中可用。
