先進材料的動態力學行為
關注創建者：追夢人_3299 創建時間：2020-05-03
先進材料的動態力學行為的實例教程
圖1 消費電子產品
聚碳酸酯（PC）及其復合材料因其優異的綜合性能，已成為高端電子產品外殼的首選材料。然而，該復合材料在服役時極易受到較強的沖擊載荷，因此，掌握纖維增強 PC 復合材料在寬應變率范圍內的力學行為特征和失效機理顯得尤為重要。
本文使用注塑成型工藝制備玻璃纖維增強 PC 復合材料，在 0.001～ 1000 s-1應變率范圍內開展纖維方向不同的玻璃纖維增強PC復合材料的拉伸力學行為實驗研究，并結合掃描電鏡對材料的失效機理進行系統分析。
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樣品制備
實驗采用與商業化電子產品外殼相同的制備工藝——注塑成型，確保材料微觀結構與實際產品一致。材料體系為短玻璃纖維增強PC復合材料，玻璃纖維質量分數為20%，纖維長度控制在0.1-0.2mm。
制備的平板試樣厚度控制在2.0mm，隨后按0°（流動方向）、45°和90°（垂直流動方向）三個方向切割成標準測試試樣，模擬外殼注塑成型后不同位置的纖維取向狀態。
圖2 拉伸試件的加工及試件尺寸（單位：mm）
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評價方法設計
不同應變率下的拉伸實驗均在室溫下進行。
準靜態拉伸實驗在電子萬能材料實驗機上（圖3）開展，試件標距段長度為 7 mm，因此，設置拉伸速率為 0.007 mm/s。
圖3 25t電子萬能試驗機
中應變率拉伸實驗設備為高速拉伸實驗機（圖4），設置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實驗機
動態拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態拉伸實驗中，采用高強度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內圓環管，圓環管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內部產生拉伸應力波。
展開 材料在沖擊、爆炸、高壓和動態應變率下的行為 第 2 版
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電子書
材料在沖擊、爆炸、高壓和動態應變率下的行為 第 2 版
中文（簡體） |2025 年 |ISBN-10：3031928776 |305 頁|Epub PDF （正確） |87 兆字節
本書全面研究了在動態載荷（包括沖擊、爆炸、高壓和高應變率）下控制固體破壞的基本原理。它介紹了實驗和理論研究，并根據實驗數據和既定的分析解決方案驗證了數值分析。探索的材料包括金屬多層板、功能分級材料、先進復合材料、智能材料和天然物質。
展開 即，通過用戶描述材料的力學行為特征，AI就可以自動生成UMAT或者VUMAT子程序，供用戶使用。</span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://public.fangzhenxiu.com/ueditor/20251106151144-image.png?imageView2/0" alt="image.png"> </p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">當然，除了AI自身增強對力學概念的理解，還需要數據支持。無論是各種彈塑性模型還是復合材料漸進失效模型，里面各種系數實際上是需要針對不同的材料做試驗測試才能獲取。尤其是多種多樣的復合材料。就我所了解，德國就有將各個試驗室和研究單位的材料本構數據統一管理的計劃，一旦把數據格式統一，隨著時間積累形成大數據庫。在AI技術的加持下，說不定靠寫材料本構就能研究生畢業的情況，將一去不復返。與之相對的，做基礎試驗或者尋找材料特性應用場景或將更加重要。</span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://public.fangzhenxiu.com/ueditor/20251106151153-image.png?imageView2/0" alt="image.png"><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p class="ql-align-justify">歡迎關注“靜界有限元”</p><p class="ql-align-justify">工作室面向在校學生、科研院所老師提供結構有限元仿真（含二次開發）、流體力學仿真、算法開發、軟件開發服務。
展開 下圖是一張傳統的金屬材料的應力應變曲線。
從圖中可看出，金屬應力應變曲線在屈服之前都是一個穩定的直線段，我們把0.002作為材料屈服位置,從右邊這張表格可以看出，2805這種材料信息中包含tensile modules 是2400mpa。Tensile of stress 在屈服的時候是66mpa，屈服的應變是6.2%。現在我們用這個簡單的公式應力等于楊氏模數乘以應變。你會發現這三個值去計算的結果是并不相等的。
如果遇到這種狀況，尤其是還差很多，一個是本來應該是屈服強度是66mpa，它提供的信息算出來就是將近150mpa。那所以我們就要知道，材料在發生屈服之前，其實是一段非線性的彈性行為。那遇到這種狀況該怎么辦？
看下圖，右邊圖材料信息與上圖一致，左邊是Campusplsastics軟件找到同樣一種材料。這張圖是在不同溫度下的拉伸應力應變曲線。
找到綠色曲線，也就是23度，室溫情況，跟我們的另外一個prospect 找到的資料，同樣是室溫情況下去做拉伸試驗?？梢钥吹剿臄祿窍嗤褪撬谇臅r候，最大值的地方，它的應變是6.2%，屈服應力是66mpa。 知道他把屈服點定在這個位置。2400moa其實是在拉伸段一開始的時候比較短的直線段，但是后來他就開始發展成非線性的彈性行為。這時候我們就不能用傳統的那個那種彈性+塑性的方式去描述材料行為。那一般的塑膠材料還會有另外一種特性，就是它的拉伸跟壓縮的行為通常會是不一樣的?？梢钥聪聢D。
從上圖可以看出在右半側這邊是拉伸，左半邊是壓縮，同樣都5%的地方去看它的應力會是不一樣的。它表示說他的拉伸跟壓縮的行為是不一樣的。但是通常材料比較怕拉伸行為，所以我們做單拉實驗，是做一個比較保守的設計。
展開 常規驅動電壓一般 > 1kV，容易使材料發生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產生內部局部損傷,也會導致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發進行自我修復，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學 (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯合英國巴斯大學(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報道了其電學與機械(圖１)自愈合能力以及驅動性能，研究成果近期發表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學損傷及其修復過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質或空氣，當對材料施加電壓時，電場會在這些低介電常數的區域集中，使得愈合后的材料在發生介電擊穿時依然在這些“傷口”區域，如圖2的模擬結果所示。將材料在33 %進行預拉伸制成介電驅動器，其驅動性能結果顯示經介電擊穿后并自我修復完的材料有67 %的恢復水平，經力學損傷后并自我修復完的材料具有損傷前材料介電強度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅動器及其自愈合能力
研究報告發表于《先進功能材料》雜志。
全文鏈接：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808431 來源：高分子科學前沿
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<p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">目前，對于材料力學行為的研究，ABAQUS UMAT技術幾乎成了標配。只要涉及強度預測、失效準則、蠕變、粘彈性、疲勞、應變率效應、固化變形等等研究，大家的論文中如果沒有本構的討論、UMAT或者VUMAT的內容，就會顯得文章沒有深度。即便是用其他的商用軟件，也會涉及到自定義本構的問題。UMAT之于ABAQUS，就像UDF之于Fluent
當下，消費者對電子產品的追求已超越單純的功能性，轉向更極致的審美體驗與更可靠的使用品質。超薄筆記本、平板電腦、智能手機等設備不僅需要輕薄便攜，更要堅固耐用。
圖1 消費電子產品
聚碳酸酯（PC）及其復合材料因其優異的綜合性能，已成為高端電子產品外殼的首選材料。然而，該復合材料在服役時極易受到較強的沖擊載荷，因此，掌握纖維增強 PC 復合材料在寬應變率范圍內的力學行為特征和失效機理顯得尤為重要
材料在沖擊、爆炸、高壓和動態應變率下的行為 第 2 版
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材料在沖擊、爆炸、高壓和動態應變率下的行為 第 2 版
中文（簡體） |2025 年 |ISBN-10：3031928776 |305 頁|Epub PDF （正確）
目前工程材料的工作環境往往涉及到爆炸、高速沖擊、切削、高溫、高應變率等極端條件，此時材料的動態力學性能是人們非常關心的一個重要問題。這類載荷作用時間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強度高,足以引起大變形乃至破壞，所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的工程意義。
一般情況下材料的準靜態的應變率在10-5~10-2 s-1之間，其動態沖擊的高應變率往往在102 ~104 s-1之間
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
在航空、航天、汽車、運輸、包裝及其它軍事和民用領域中，工程材料可能會遇到像高速碰撞、爆炸這樣的沖擊加載情況，了解材料在沖擊加載下的力學響應，有助于各類材料的工程應用和工程設計。
對于材料來說，其在動載下的力學性能和在靜載下的力學性能是不同的。與準靜態實驗相比，進行高應變率下的動態實驗，依然是一個不小的挑戰?；羝战鹕鞂嶒?，對于有效并精確地獲取材料的應變率相關的應力
下圖是一張傳統的金屬材料的應力應變曲線。
從圖中可看出，金屬應力應變曲線在屈服之前都是一個穩定的直線段，我們把0.002作為材料屈服位置,從右邊這張表格可以看出，2805這種材料信息中包含tensile modules 是2400mpa。Tensile of stress 在屈服的時候是66mpa，屈服的應變是6.2%?，F在我們用這個簡單的公式應力等于楊氏模數乘以應變。你會發現這三個值去計算的結果是并不相等的
介電彈性體由于具有質量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應迅速等優良特性，在驅動器，軟體機器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領域具有重要的應用前景。常規驅動電壓一般 > 1kV，容易使材料發生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產生內部局部損傷,也會導致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發進行自我修復，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學 (University
2019年1月11日，物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)在線報道了西北工業大學、北京理工大學（共同完成單位）聯合研究成果。在方岱寧院士、李玉龍教授的指導下，郭亞洲副教授（第一作者）、陳浩森副教授（共同通訊作者）、朱盛鑫博士和阮啟超碩士等開展了絕熱剪切帶的產生和溫度之間的因果關系研究
