理解Abaqus中的材料模型和行为

        了解不同条件下的材料行为是工程、设计和制造领域的基础。Abaqus中材料建模的复杂性可以改变仿真在公司中的作用。Abaqus 提供丰富的材料模型库，从而使仿真更接近真实物理世界。

        在本文中，我们将探讨各种材料模型，并了解它们如何帮助理解底层力学。无论您是经验丰富的工程师还是小白，都可以深入了解 Abaqus 中材料建模的迷人世界，讨论从弹性和非弹性材料模型到更复杂的模型（例如渐进损坏和失效、以及多尺度材料建模）。

Abaqus 中使用的主要材料模型

在深入了解细节之前，全面了解可用材料模型的范围是很有用的。

下图概述了 Abaqus 中可用的所有材料模型，可满足各种需求和应用。该图表应作为路线图，引导 Abaqus 中材料模型的选择，并指导用户针对特定项目使用正确的模型。

现在我们已经了解了 Abaqus 中可用的材料模型，接下来让我们更深入地研究一些主要材料模型。这些主要模型说明了 Abaqus 在处理各种材料及其行为方面的多功能性和鲁棒性。

弹性

        材料中的弹性行为是指材料在受到导致其变形的力或应力后恢复到其原始状态的能力。当施加的应力未超过材料的弹性极限（即材料在不发生永久变形的情况下可以承受的最大应力）时，就会发生这种情况。

        Abaqus 提供可解决独特功能的专业材料模型，范围从简单的线性弹性模型到更高级的模型，例如用于压力相关行为的多孔弹性、用于几乎不可压缩弹性体的类橡胶超弹性以及用于编织材料非线性响应的织物模型。这些能力的实际应用的一个例子可以在汽车行业中看到。Abaqus 提供的超弹性模型对于轮胎的分析和设计至关重要。通过利用类橡胶超弹性模型，制造商可以模拟轮胎在各种条件下的性能，确保最佳的抓地力、寿命和燃油效率。

下面的模拟是橡胶保险杠被压缩，由超弹性材料模型组成，属于弹性行为。

非弹性

        非弹性行为，也称为塑性变形，是材料的一种特性，在受到压力时其形状会发生永久性变化。这种行为可以在多种材料中观察到，包括金属、岩石、混凝土、泡沫和土壤。

        Abaqus 提供了一个广泛的材料模型库来捕获这种复杂的行为。无论是处理经典金属塑性、速率相关屈服、蠕变和膨胀，还是更专业的模型（例如铸铁和可压碎泡沫塑性）。 

这些无弹性模型的一个例子是建筑和基础设施行业。例如，了解混凝土或钢材等材料在载荷下如何变形和屈服对于设计建筑物、桥梁和隧道至关重要。

下面是一个扭曲铜圆柱体的模拟。铜采用 Johnson-Cook 硬化塑性模型进行建模。

渐进性损伤和失效

        材料的渐进损伤和失效是指材料由于刚度下降而逐渐失去承载能力的过程。该过程通常使用损伤力学进行建模。

        Abaqus 提供了一组丰富的功能来预测和分析各种类型材料的渐进损坏和失效。这包括材料失效建模的通用框架，该框架允许多个同时失效机制，并旨在减轻网格依赖性。

        风能领域就是一个例子，其中通常由复合材料制成的风力涡轮机叶片的结构完整性至关重要。使用 Abaqus 的渐进损伤模型，制造商可以优化叶片设计，确保更长的使用寿命和更高的利用可再生能源的效率。

        下面的模拟是使用 Abaqus/Explicit 中的通用接触算法对高速冲击圆柱射弹和装甲板进行的模拟，两者都容易发生表面侵蚀和损坏。

 水动力行为

        材料的流体动力学行为是指材料对压力、体积和温度变化的响应。这种行为通常使用状态方程来描述，该方程是一个热力学方程，将压力定义为材料密度和内能的函数。

        Abaqus 提供了全面的状态方程模型库，可精确模拟流体动力学行为，包括但不限于高压应用的 Mie-Gruneisen 方程、压力-密度关系急剧转变的表格方程以及 P-alpha用于模拟延性多孔材料的压实。

        一个行业示例是瓶装包装的评估，例如瓶装水或洗发水容器。利用 Abaqus 的仿真功能，制造商可以执行流固耦合仿真，以评估跌落测试期间内部流体的反应。这有助于了解瓶子的完整性、可能的溢出情况以及包装的整体坚固性，确保产品以最佳状态到达消费者手中。

        请参阅下面的牛顿摇篮模拟。水是使用欧拉元素建模的，作为一种几乎不可压缩的流体。材料模型中使用 Mie-Grüneisen 状态方程的线性 Us−Up Hugoniot 形式。

多尺度材料建模

        多尺度建模通常涉及使用代表性体积元素 (RVE)，这是可以进行测量并产生代表整个材料的值的最小体积。该 RVE 用于捕获材料的微观结构异质性（例如晶粒、夹杂物、空隙和纤维）。这使我们能够对任意形成的复合材料进行建模。

        Abaqus 在多尺度材料建模中使用平均场均质化方法，可以根据微观信息有效预测宏观行为。它利用 Mori-Tanaka 等技术，为复合材料内的平均应力和应变提供分析解决方案。这允许捕获非线性和历史相关行为，并且在高度非线性成分材料的情况下，该软件通过 FE-RVE 提供校准，呈现详细的微观结构表示。

        在研究先进航空航天材料中可以找到这样的一个例子。学者们利用 Abaqus 研究新型复合材料的微观结构变化，旨在了解它们在应力下的宏观响应。对材料行为的深入研究为下一代飞机和航天器材料的开发提供了信息，从而提高了航空的安全性和效率。

下面的模拟是单轴拉伸载荷下复合材料的体心 RVE。

示例

        现在我们已经了解了材料模型，让我们通过简单的超弹性模型来展示 Abaqus 的一些功能。在此模拟中，我们将模拟波纹管一端绕圆的旋转。下面的材料已经通过四种不同的测试进行了表征：单轴、双轴、平面和体积。

        根据分析的类型，并不总是需要获得所有四种类型的实验测试数据。例如，如果您已经知道您的模型只会在拉伸下变形，那么单轴测试数据可能就足够了。然而，由于波纹管具有的几何形状，它可以同时经历多种形式的变形。

模型设置

波纹管采用一阶四壳单元 (S4R) 建模，其中一端固定，另一端连接到固定中心并允许绕中心旋转。这是通过使用梁型连接器元件来保持恒定距离来实现的。

尽管有材料实验数据，但它们仍然需要根据超弹性模型进行校准。幸运的是，Abaqus 附带了校准工具，所有处理都可以在同一界面中执行，具有多种应变能势。我选择评估三阶、四阶和五阶 Ogden 模型，因为它在提供多种变形模式的数据时表现良好。

下面是 Abaqus 在评估后提供的图以及模型的系数（未显示）。下图还显示了校准模型的双轴、平面、单轴和体积测试数据的四个子图。从这些图中可以明显看出，四阶 Ogden 模型表现最好，并且与实验测试数据最接近，因此将被使用。

检查上面的动画，我们发现波纹管主要处于拉伸状态，而某些区域则处于压缩状态，这由面内主应力决定。这一观察结果进一步强调了将多种变形模式纳入超弹性材料模型的必要性。

结语

Abaqus 提供了一整套材料模型，范围从弹性和非弹性行为到渐进损伤和失效、流体动力响应和多尺度材料建模。凭借其多样化的功能，Abaqus 使工程师和分析师能够准确模拟和预测材料在各种条件下的行为，从而在工程、设计和制造项目中实现更明智的决策过程。