材料評(píng)估
關(guān)注創(chuàng)建者：張斌 創(chuàng)建時(shí)間：2015-07-24
材料評(píng)估的視頻教程
橡膠及泡棉類(lèi)超彈性材料_力學(xué)仿真方法介紹(ABAQUS)
對(duì)于泊松比很低的超彈性泡棉材料，也會(huì)補(bǔ)充體積收縮相關(guān)的力學(xué)特性及測(cè)試方法 第1.3節(jié)視頻介紹超彈性材料的材料評(píng)估方法（Material Evaluation），即利用ABAQUS軟件，如何完成超彈性模型的曲線擬合和穩(wěn)定性評(píng)估，分別介紹了曲線擬合原理（最小二乘法）、穩(wěn)定性評(píng)估原理（應(yīng)變能增量恒正）以及一些經(jīng)驗(yàn)性的評(píng)估建議，最后在ABAQUS中操作演示材料評(píng)估的過(guò)程。
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如何準(zhǔn)確獲取高應(yīng)變速率拉伸性能的應(yīng)力應(yīng)變曲線
通過(guò)高速拉伸測(cè)試，可以獲取材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、動(dòng)態(tài)彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性等重要參數(shù)，進(jìn)而評(píng)估材料的性能和可靠性。 通過(guò)測(cè)試材料在極限條件下的破壞行為，如斷裂模式、斷裂機(jī)制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)破壞行為的研究，從而為設(shè)計(jì)和改進(jìn)材料提供指導(dǎo)。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用于驗(yàn)證和校準(zhǔn)計(jì)算模型，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以評(píng)估仿真模型的合理性，并進(jìn)行必要的修正和改進(jìn)。
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ABAQUS-復(fù)合材料脫層模擬（2D-cohesive單元法）
本案例基于ABAQUS模擬了復(fù)合材料的脫層撕裂過(guò)程，常用的有基于cohesive單元和基于面接觸兩種方法，本案例中粘合層采用cohesive單元模擬，cohesive單元需要定義材料的damage，damage evolution，elastic參數(shù)，參數(shù)模型不合理容易導(dǎo)致不收斂。模擬輸出脫層抗撕裂力-位移曲線，評(píng)估材料的抗撕裂能力。
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材料評(píng)估的實(shí)例教程
塑料螺旋流動(dòng)測(cè)試（Spiral Flow Test） 作為一種標(biāo)準(zhǔn)化且直觀的評(píng)估方法，被廣泛用于量化樹(shù)脂的流動(dòng)性，從而直接預(yù)測(cè)其充模能力。該方法通過(guò)測(cè)量樹(shù)脂在特定工藝條件下于螺旋形流道中的流動(dòng)長(zhǎng)度，為材料選擇、工藝設(shè)定和質(zhì)量控制提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
01
測(cè)試原理
螺旋流動(dòng)測(cè)試的核心在于：模具中的流動(dòng)長(zhǎng)度是樹(shù)脂粘度與注射壓力、填充速率（注射速度）、熔體溫度和設(shè)定條件的函數(shù)。測(cè)試使用一個(gè)具有特定截面厚度和圓形螺旋流道的專(zhuān)用模具。在模擬的典型注塑條件下，熔體被注入模具，并在流動(dòng)中冷卻固化。最終測(cè)得的流動(dòng)長(zhǎng)度（螺旋流動(dòng)度） 即是材料在該套條件下流動(dòng)性的量化體現(xiàn)。粘度越低，流動(dòng)越長(zhǎng)，其潛在的充模能力也越強(qiáng)。
核心裝置：測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)化的螺旋模具，通常為阿基米德螺線形，具有恒定的矩形流道截面和明確的厚度。模具中心設(shè)有進(jìn)料口，材料由此注入。
02
從材料評(píng)估到生產(chǎn)指導(dǎo)
螺旋流動(dòng)測(cè)試的價(jià)值在于其直接關(guān)聯(lián)工程實(shí)踐的多個(gè)方面：
評(píng)估批次一致性，監(jiān)控材料性能：這是測(cè)試的基礎(chǔ)應(yīng)用。流動(dòng)（粘度）的變化為每批材料的流動(dòng)性能、結(jié)晶度和凍結(jié)時(shí)間提供了直接指示。“任何主要的批次間流動(dòng)差異，都將有理由采用更精密的測(cè)量方法并與材料供應(yīng)商討論。” 這對(duì)于保證生產(chǎn)穩(wěn)定性至關(guān)重要。
篩選材料，預(yù)測(cè)復(fù)雜模具填充性：在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品或使用新模具時(shí)，測(cè)試是評(píng)估材料是否適用的快速手段。對(duì)于難以填充的模具（hard-to-fill tools），它可以明確指出樹(shù)脂在標(biāo)準(zhǔn)條件下是否具備填充所需的流動(dòng)長(zhǎng)度。以尼龍材料的選擇為例：在制造電纜扎帶時(shí)，尼龍6/6因其優(yōu)越的流動(dòng)填充特性成為首選材料。與尼龍6/6相比，尼龍6具有更高的伸長(zhǎng)率，但流動(dòng)性較低。兩者性能均可良好，但基于流動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性，尼龍6/6是主要材料。
展開(kāi) 教材《工程材料力學(xué)行為》一書(shū)中提及了各向異性材料的失效校核方法：
纖維增強(qiáng)塑料就是一種各向異性材料，在纖維方向和垂直纖維方向，材料的力學(xué)屬性有顯著差異。因此我們可以使用上述Hill強(qiáng)度評(píng)估方法來(lái)校核纖維增強(qiáng)塑料的強(qiáng)度評(píng)估。
同時(shí)我們可以假設(shè)纖維增強(qiáng)塑料是一種特殊的各向異性材料，在垂直纖維方向的平面內(nèi)材料又是各向同性的。這樣Hill材料常數(shù)H、F、G、N、L、M的計(jì)算，就由、六個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)，變?yōu)?四個(gè)數(shù)據(jù)。
通常我們是可以查到PA基體的力學(xué)參數(shù)（拉伸屈服強(qiáng)度）和PA+GF20 的拉伸屈服強(qiáng)度。
? 這里可以近似理解為玻纖方向的=130MPa即為PA+GF20的拉伸屈服強(qiáng)度
? ==74MPa為純PA的拉伸屈服強(qiáng)度，
? 同時(shí)近似使用 = =75MPa，
? =37.5MPa。
這樣我們就可以通過(guò)有限的可查材料數(shù)據(jù)來(lái)，近似計(jì)算Hill強(qiáng)度公式的材料常數(shù)進(jìn)行各向異性玻纖材料的強(qiáng)度評(píng)估。
至此時(shí)，我們只需要提取有限元仿真結(jié)果在某節(jié)點(diǎn)位置的應(yīng)力分量、 帶入Hill公式即可獲得各向異性材料在某載荷下是否失效的強(qiáng)度結(jié)論（Hill值與1進(jìn)行比較，Hill值大于1 即為失效）
仿真示例：
有如下形狀的一個(gè)卡扣，卡扣兩側(cè)固定約束；在中間圓弧區(qū)域受到-Z方向的力載荷10N和一個(gè)繞X軸的扭轉(zhuǎn)載荷0.2NM。
同時(shí)，還知道卡扣的材料是PA+GF20，玻纖均勻分布，玻纖整體排布方向順著卡扣方向（全局坐標(biāo)系的Y方向）
幾何模型約束位置和載荷如下所示：
展開(kāi) 標(biāo)準(zhǔn)材料的螺紋扭矩，通常都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)定義。
對(duì)于較為特殊的材料的螺紋，其螺距究竟該如何評(píng)估定義呢？
標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算法：
汽車(chē)行業(yè)的螺紋扭矩，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QCT-518-1999 汽車(chē)用螺紋緊固件擰緊扭矩規(guī)范設(shè)計(jì) ，其中有標(biāo)準(zhǔn)扭矩、最小扭矩、最大扭矩的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。
結(jié)合材料本身的力學(xué)性能參數(shù)，我們可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的扭矩。
例如，5#鋅合金 M5 0.8mm螺距，其計(jì)算出的扭矩如下：
標(biāo)準(zhǔn)扭矩：2.1 N.m u最小扭矩: 1.65 N.m u最大扭矩: 2.51 N.m
2. 我們采用CAE法大概模擬一下螺紋受扭矩情況下的應(yīng)力情況。
2.1. 根據(jù)國(guó)標(biāo)螺紋創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)模型，創(chuàng)建了10圈螺紋（M5X0.8mm）;
2.2 用CAE軟件模擬分析施加扭矩的受力狀況。
工況一：螺紋受扭矩2.5N.m
工況二：螺紋受扭矩2.5N.m, 預(yù)緊力3200N造成的壓力；
工況三：螺紋受扭矩7N.m;
工況四：螺紋受扭矩7N.m,預(yù)緊力8960N造成的壓力；
3. 總結(jié)：
2.5N.m的力矩下，鋅合金螺紋的最大應(yīng)力為93.3Mpa,大概是5#鋅合金的屈服強(qiáng)度的三分之一，符合機(jī)械手冊(cè)建議的許用應(yīng)力； ?7N.m的力矩下，鋅合金螺紋的最大應(yīng)力為261.7Mpa,基本到了5#鋅合金的屈服強(qiáng)度，基本已經(jīng)到了材料的應(yīng)用極限，需要小心應(yīng)用。 ?下兩圖是螺紋圈數(shù)受力分布的經(jīng)驗(yàn)示意（螺紋受力并非均勻分布）。
根據(jù)這些計(jì)算評(píng)估，我們大概知道標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定的計(jì)算方式是加了安全系數(shù)考慮了疲勞應(yīng)用的保守算法。也得出了采用新材料螺紋的扭矩評(píng)估方式。
展開(kāi) 它是以TATB為主體，加入粘結(jié)劑粉末壓制成形的復(fù)合材料，由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和安全性能而得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)Digimat-FE可以快速評(píng)估組成成分對(duì)炸藥性能的影響。
主要亮點(diǎn)
應(yīng)用產(chǎn)品：Digimat-FE
行業(yè)：軍工領(lǐng)域
具體應(yīng)用：快速評(píng)估材料性能
挑戰(zhàn)
TATB基PBX內(nèi)部包含著大量不規(guī)則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對(duì)TATB基PBX力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)炸藥的承載能力和結(jié)構(gòu)失效機(jī)制均具有重要意義。由于孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜且無(wú)序分布，再加上目前實(shí)驗(yàn)手段的限制，難以從實(shí)驗(yàn)上建立孔隙與PBX宏觀力學(xué)性能的定量關(guān)系。以材料微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，用代表體積元法（Representative Volume Element，RVE）可有效解決這個(gè)問(wèn)題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計(jì)算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對(duì)材料特性進(jìn)行設(shè)定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項(xiàng)的設(shè)定，和氣泡作為夾雜相的設(shè)定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當(dāng)中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為70%，孔隙度設(shè)定為5%，紅色為T(mén)ATB，灰色為空穴，基材為粘結(jié)劑，可以從生成的下表中看出實(shí)際生成的TATB體積分?jǐn)?shù)為0.692509，空穴的體積分?jǐn)?shù)為0.0500096，與設(shè)定誤差非常小。
材料組成及RVE微結(jié)構(gòu)設(shè)置生成
RVE單元各相體積分?jǐn)?shù)比
然后利用內(nèi)置前處理劃分網(wǎng)格。20秒鐘后，系統(tǒng)自動(dòng)幾何網(wǎng)格，并劃分合適的網(wǎng)格。
接下來(lái)需要?jiǎng)澐衷O(shè)定載荷，F(xiàn)E當(dāng)中支持內(nèi)部設(shè)定載荷，可以設(shè)定軸向，雙軸，剪切等載荷類(lèi)型。
展開(kāi) 它是以TATB為主體，加入粘結(jié)劑粉末壓制成形的復(fù)合材料，由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能和安全性能而得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)Digimat-FE可以快速評(píng)估組成成分對(duì)炸藥性能的影響。
主要亮點(diǎn)
應(yīng)用產(chǎn)品：Digimat-FE
行業(yè)：軍工領(lǐng)域
具體應(yīng)用：快速評(píng)估材料性能
挑戰(zhàn)
TATB基PBX內(nèi)部包含著大量不規(guī)則、跨尺度的孔隙，研究孔隙對(duì)TATB基PBX力學(xué)性能的影響規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)炸藥的承載能力和結(jié)構(gòu)失效機(jī)制均具有重要意義。由于孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)復(fù)雜且無(wú)序分布，再加上目前實(shí)驗(yàn)手段的限制，難以從實(shí)驗(yàn)上建立孔隙與PBX宏觀力學(xué)性能的定量關(guān)系。以材料微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的熱力學(xué)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，用代表體積元法（Representative
Volume
Element，RVE）可有效解決這個(gè)問(wèn)題。采用Digimat-FE模塊中的RVE建模方法，建立了填充相、基體相和氣孔相三相有限元計(jì)算模型。
Digimat-FE 示意圖
具體操作流程
首先對(duì)材料特性進(jìn)行設(shè)定，包括Binder和TATB材料特性以及TATB作為夾雜項(xiàng)的設(shè)定，和氣泡作為夾雜相的設(shè)定。在Digimat-FE中可以直接在geometry當(dāng)中生成幾何模型PBX代表體單元模型，其中TATB體積分?jǐn)?shù)設(shè)定為70%，孔隙度設(shè)定為5%，紅色為T(mén)ATB，灰色為空穴，基材為粘結(jié)劑，可以從生成的下表中看出實(shí)際生成的TATB體積分?jǐn)?shù)為0.692509，空穴的體積分?jǐn)?shù)為0.0500096，與設(shè)定誤差非常小。
材料組成及RVE微結(jié)構(gòu)設(shè)置生成
RVE單元各相體積分?jǐn)?shù)比
然后利用內(nèi)置前處理劃分網(wǎng)格。20秒鐘后，系統(tǒng)自動(dòng)幾何網(wǎng)格，并劃分合適的網(wǎng)格。
接下來(lái)需要?jiǎng)澐衷O(shè)定載荷，F(xiàn)E當(dāng)中支持內(nèi)部設(shè)定載荷，可以設(shè)定軸向，雙軸，剪切等載荷類(lèi)型。這里我們?cè)O(shè)置沿x軸拉伸。
展開(kāi) 
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通過(guò)對(duì)車(chē)輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期載荷循環(huán)的仿真，評(píng)估材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，識(shí)別潛在的薄弱點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)以延長(zhǎng)車(chē)輛使用壽命并減少維護(hù)需求。
三、兩種輔助判定方法
1、電化學(xué)方法：快速揭示腐蝕機(jī)理
★ 極化曲線法：采用三電極體系，掃描速率0.1-10mV/s，活性材料關(guān)注腐蝕電流（icorr），鈍性材料重點(diǎn)評(píng)估擊破電位（Eb）與維鈍電流（ipass），數(shù)值越優(yōu)則耐蝕性越強(qiáng)。
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03
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02
PART
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全維度三維分析：具備 10^6 級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，通過(guò)三維斷層圖像全面評(píng)估材料密度分布、缺陷形態(tài)與空間位置，徹底規(guī)避二維投影的結(jié)構(gòu)疊加誤差。
高效智能化處理：支持 30 分鐘內(nèi)完成全流程掃描與數(shù)據(jù)采集，搭配 VGStudio MAX 專(zhuān)業(yè)分析軟件，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化閾值分割、數(shù)模對(duì)比與檢測(cè)報(bào)告生成。
這樣我們就可以通過(guò)有限的可查材料數(shù)據(jù)來(lái)，近似計(jì)算Hill強(qiáng)度公式的材料常數(shù)進(jìn)行各向異性玻纖材料的強(qiáng)度評(píng)估。
