力學響應的案例
重載車輛減速制動過程中輪胎力作用下的路面力學響應研究
③不同載荷下的路面力學響應
5kN
15kN
25kN
35kN
最大的Mises應力（MPa）
2.47
3.13
3.95
4.65
最大的剪切應力（MPa）
1.28
1.67
2.13
2.55
最大的法向位移（mm）
2.35
2.63
2.92
3.20
通過路面的最大Mises應力、最大剪切應力、最大的法向位移隨載荷的變化，三者的變化情況，可以比較直觀的看出這三者的數值都在隨著載荷的在增加而成線性的增加，說明載荷對于輪胎與路面的力學響應的影響是正相關的。
載荷由5kN增加至35kN，路面的最大Mises應力增加了88.29%，最大剪切應力增加了99.21%，最大法向位移增加了36.17%。可以得到，載荷的增加顯著的影響到了輪胎對路面的力學響應。
因此當車輛承載越重載荷的情況下，輪胎對路面所造成的損傷也越大，可以通過對汽車結構進行優化、減少負載質量、增加輪組等方法降低汽車的承載，對于等級較低的公路應該設置最大路面承載量。
展開 人體頸部有限元模型的建立和驗證——汽車前碰撞中乘員頸部生物力學響應分析和研究
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人體頸部有限元模型的建立和驗證——汽車前碰撞中乘員頸部生物力學響應分析和研究.part2.rar
人體頸部有限元模型的建立和驗證——汽車前碰撞中乘員頸部生物力學響應分析和研究
GSH-PCA方案結合機器學習實現晶體塑性力學響應的快速預測
近期，固體力學頂級期刊JMPS（Journal of the Mechanics and Physics of Solids）發表了一項極具突破性的研究成果，徹底顛覆了傳統的計算模式 。該研究提出了一種全新的數據驅動代理模型框架，能夠將微觀織構與宏觀拉伸力學響應無縫連接，在保證極高精度的同時，將計算效率提升了驚人的1000倍 ！
以下是該研究框架的幾大核心創新與實用亮點：
1. 微觀織構的“高保真降維打擊”傳統的取向分布函數（ODF）維度極高，難以直接輸入機器學習模型 。研究巧妙地采用廣義球諧函數（GSH）結合主成分分析（PCA），將復雜的織構空間精準壓縮至僅需5到10個核心參數 。這種參數化方法不僅大幅降低了訓練負擔，更具備極其強大的“雙向映射”能力：工程師可以隨時利用這些降維后的少數參數，反向完美重構出原始的織構極圖 ！相比之下，如果僅使用單一的Taylor因子進行簡化，雖然便捷，但會引入更大的預測誤差和不確定性 。
2. 全曲線生成的泛函主成分分析（fPCA）為了直接預測完整的應力-應變行為，該框架在輸出端引入了泛函主成分分析（fPCA） 。代理模型不再逐點預測離散數據，而是直接學習提取整條拉伸曲線的“形狀基函數”及其權重 。只需輸入微觀特征參數，模型瞬間就能完美拼裝出平滑、連續且符合物理規律的宏觀應力-應變曲線 。
3. 具備“自知之明”的置信區間預測與傳統深度神經網絡的“盲目自信”不同，該工作選用高斯過程（GP）回歸作為核心代理模型 。高斯過程不僅能給出精確的預測曲線，更能進行嚴格的不確定性量化（UQ），輸出帶有95%置信區間的預測包絡帶 。這意味著，當輸入一種模型從未見過的極端奇異織構時，它會通過變寬的陰影帶誠實地發出“誤差警告”，極大地提升了工程預測的可靠性與安全性 。
展開 JMPS：多主元合金塑性和應變硬化的分層多尺度晶體塑性框架
圖8(a)是相同晶粒數不同數量的有限元下的RVE應力-應變響應曲線。圖8(b)為應變速率為1 × 10?3 s?1和2.5 × 103 s?1時Al0.1FeCoCrNi MPEA多晶RVE的力學響應。并與實驗數據進行了比較。結果表明:在準靜態應變速率為1 × 10?3 s?1時，模擬得到的應力-應變曲線與實驗數據吻合較好;最大應力的變化范圍在26 MPa以內，驗證了作者的校準程序。
圖8：(a)比較不同數量的元素(晶粒:200)的RVE力學響應。(b)多晶在應變速率為1 × 10?3 s?1和2.5 × 103 s?1時的應力-應變預測曲線和實驗曲線。
應變速率對MPEAs的力學性能有很大影響，在靜態或準靜態加載過程的比較中，金屬材料在高應變率加載時表現出一些明顯的行為，在動力條件下，由于粘性阻力效應，位錯運動是悄然不同的因此，有必要研究Al0.1FeCoCrNi MPEA在不同應變速率下的力學響應。作者預測了Al0.1FeCoCrNi MPEA在10?2 s?1、10?1 s?1、1 s?1、10 s?1和102 s?1不同應變速率下的力學響應和應力應變分布。在當前CPFE模擬中，參考應變速率為10?3 s?1。圖9為Al0.1FeCoCrNi MPEA在不同應變速率下的應力應變響應。
圖
9
：預測了不同應變速率下多晶的應變-應力曲線。
展開 
IJP：從RVE到組件的跨尺度預測
在復雜的力學和熱場下宏觀變形和微觀結構演變的整體預測對于定制部件的預期形狀和性能是至關重要的。為了克服多尺度模型在單個尺度上預測的不足，來自凝固加工國家重點實驗室的Xinxin Sun等人將元胞自動機晶體塑性有限元法和人工神經網絡巧妙地結合起來，建立了從代表體積元(RVE)到組分的跨尺度整體預測模型。CACPFEM模型充分耦合了非均勻變形和微觀結構演變，如動態再結晶(DRX)，用于解釋RVE的響應。為了反映應變率、溫度、微觀結構和變形模式對響應的依賴性，對RVE施加了大量恒定和變化的加載路徑。所有的響應(包括力學和微觀結構的響應)形成了一個巨大的數據庫，在此基礎上，通過訓練、驗證、測試和循環優化，建立了具有Marquardt-Levenberg (M-L)算法的反向傳播(BP) ANN模型。人工神經網絡模型的輸出設置為微觀結構演變(包括DRX體積分數和平均晶粒尺寸)和取決于加載路徑和微觀結構的J2-JBOY3樂隊本構模型的動態變化的宏觀尺度參數，然后應用于有限元模型以預測部件的響應。因此，建立了一座橋梁來連接RVE和組件的響應。反過來，部件局部區域的變形歷史也可以應用于RVE，以進一步研究微尺度變形機制和微結構演化。利用跨尺度模型，得到了反映各向異性、拉壓不對稱性、應變率、溫度、微觀結構和變形模式依賴性的結果。它得益于基于物理的CACPFEM、依賴于變形條件和微結構演化的J2-JBOY3樂隊本構模型、優化的ANN模型以及它們的創新組合。優化策略保證了跨尺度預測的準確性。跨尺度模型在旋轉坯料單軸壓縮中的應用以及在新形狀坯料的屈服面預測和鍛造過程中的推廣，表明了該模型的跨尺度預測能力。
圖1 跨尺度模型的框架
跨尺度模型的框架，如圖1所示，該框架基于四個部分和三種優化方法的組合。
展開 上海科技大學凌盛杰課題組：柞蠶絲的濕度驅動機制研究
上海科技大學凌盛杰課題組針對基于蠶絲紗線的纖維狀濕度響應驅動器，通過實驗結合深入的理論討論，闡釋了其中柞蠶絲與水的相互作用機制。通過具體分析蠶絲在水蒸氣中的循環響應力學變化曲線，結合同步輻射傅里葉紅外顯微光譜和小角、廣角X射線散射表征，提出蠶絲非晶區的可逆性有序圖案在蠶絲基濕度響應驅動器中起關鍵作用。
纖維器件作為一種柔性器件，具有小體積、可折疊、可編織、可拉伸、可穿戴、適應性高等特點，在生物醫療，便攜式電子設備，智能紡織，能量存儲，通信和傳感系統中有廣泛的應用潛力。與人工合成纖維相比，動物絲纖維具有更好的生物相容性，更好的綜合力學性能以及低成的優勢，這使動物絲成為發展纖維器件的優秀基礎材料之一。由動物絲纖維制作而成的纖維驅動器在近年來也已被廣泛地研究，但其內部濕度驅動的機理卻少有人提及。本文就動物絲對濕度的力學響應做出了深入探究，并提出了一個新的模型來解釋水分子與動物絲的相互作用機制，并有望定量的指導動物絲纖維驅動器的制備、優化與應用。
本文亮點
1. 開發了一個由自動加濕器和高敏感張力裝置組成的系統用于實時監測柞蠶絲纖維對環境濕度的具體力學響應過程。
2. 提出了一個新的模型來解釋水分子與動物絲的相互作用機制。
3. 建立的模型有望定量的指導動物絲纖維驅動器的制備、優化與應用。
作者通過自動加濕器和高敏感張力裝置組成的系統用來監測柞蠶絲纖維對濕度的響應。在試驗過程中，在懸臂上安裝的一個高敏感張力傳感器，同步記錄在加濕/干燥循環過程中蠶絲纖維的力學響應變化（如圖一）。
展開 金屬學報：孿生誘發軟化與強化效應的Cu晶體塑性行為模擬
為了應用該模型準確模擬材料的宏觀力學響應，必須確定該模型相關材料參數。作者結合fcc晶體材料滑移系和孿生系的晶體學特征，根據前人對Cu的研究結果，最終得出晶體塑性模型Cu單晶材料參數。建立如圖1所示的Cu單晶CPFE模型。
圖1 Cu單晶拉伸過程的晶體塑性有限元模型示意圖
為了驗證上述CPFE模型的可靠性，圖2給出了Cu單晶沿不同取向拉伸過程的力學響應模擬及實驗結果的對比情況。可以看出，模擬結果與實驗結果吻合良好。在Cu單晶沿[541]取向加載條件下，其應力-應變曲線分成明顯的3個階段，即滑移階段A、孿生階段B及位錯與孿晶交互作用階段C。為了深入揭示Cu單晶塑性變形過程中各滑移系和孿生系激活演化行為及孿晶對位錯滑移的影響，圖3給出了[541]取向下Cu單晶拉伸變形過程中各滑移系和孿生系激活演化結果。
圖2 Cu單晶沿[541]和[163]取向拉伸變形過程中真應力和孿晶體積分數隨應變演化的模擬與實驗結果
圖3 Cu單晶沿[541]取向拉伸變形過程中各滑移系和孿生系的激活演化結果
為了反映多晶中晶粒的組織形貌及取向特征，基于Voronoi的特征微元重構多晶微結構，如圖4所示。該幾何模型由開源軟件Neper建立，約包含100個等軸晶粒。
圖4 Cu多晶拉伸過程晶體塑性有限元模型示意圖
為了揭示多晶變形過程中孿晶對宏觀力學響應的影響，圖5給出了Cu多晶拉伸過程中宏觀塑性行為的演化結果。進一步分析Cu多晶和單晶變形過程中孿生機制對應變硬化行為的影響，圖6給出了Cu單晶和多晶拉伸變形過程的應變硬化率演化結果。
展開 梯度納米晶材料的本構建模及微結構調控
為了更好地發展和應用梯度結構材料，需要預測不同梯度結構材料的力學性能，從而進行優化調整。因此，深入理解梯度結構材料的強韌性機理、微結構演化與宏觀力學響應的關聯，進而建立描述梯度結構材料變形行為的本構模型，成為亟待解決的關鍵問題。
圖1 不同的梯度微結構示意圖。（來源：盧柯. 梯度納米結構材料，金屬學報 51（2015）1-10）
在國家自然科學基金項目《梯度納米晶粒/孿晶材料的本構建模及微結構設計》（項目編號：1167020206）的資助下，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊合作開展研究，論文第一作者陸曉翀針對2011年中科院金屬所盧柯院士團隊在《Science》上報道的梯度納米晶粒材料，建立了基于復雜位錯演化機制的尺寸相關晶體塑性本構模型，并引入了晶粒長大機制和損傷演化模型。依托馬普鋼鐵所Franz Roters教授團隊開發的多尺度材料模擬平臺DAMASK，實現了本構模型的有限元移植。
梯度納米晶粒結構材料有龐大的晶粒數目，該研究采用均勻化方法簡化有限元模型，可有效地對宏觀尺寸試樣的力學響應進行計算模擬。模擬結果表明，該模型可以很好地描述材料的單拉力學行為與梯度微結構的關聯。根據變形云圖分析，表層納米晶的晶粒長大機制可以有效緩解應力的不均勻分布，協調塑性變形，使得材料表層不容易發生應變局域化，延緩了頸縮的發生。
圖2 考慮和不考慮晶粒長大機制的應力云圖和應變云圖
根據損傷演化云圖分析，損傷起始于粗晶區，逐漸擴展到梯度區，表層納米晶由于高強度，使得損傷很難發生。基于該模型，研究者進一步調控梯度層的厚度分數和粗晶層的晶粒尺寸，預測了不同梯度微結構下的單拉力學響應，給出了強度和韌性的分布圖。
展開 分概念
根據CAD建立的幾何模型通常為多個零件(PART)組裝而成的組件(ASSEMBLE)，零件之間的交界面僅在幾何上接觸，并無共享的接觸面、線、點，即零件之間沒有形成連通域，其直接后果便是單元劃分以后，網格完全不連續或者局部不連續，單元零件之間無法傳遞力學響應結果或相互的約束，甚至造成剛體運動，求解失敗。其解決辦法是在CAD程序里面進行布爾運算，通過切割、交集、并集等手段實現幾何體的連通。
3.3 單元選擇
CAE分析中廣泛使用到一系列單元，如梁單元、桁架單元、索單元、實體單元、殼體單元、平板單元等。選擇不同單元的原則有兩點：其一為分析所需要考查的信息，比如混凝土梁，當僅關心的單元宏觀的內力響應指標，如彎矩、剪力、軸力時，則采用桿系梁單元，即可以采集到工程所需的力學指標。但是，當需要考察混凝土梁的裂縫開裂、應力沿斷面的分布狀況時，則需要采用實體單元，再比如混凝土板，當需要考查其帶裂縫工作性能時，則需要采用實體單元，否則無法獲得裂縫在板厚度方向上的分布情況。當然，個別CAE程序采用在殼單元厚度方向上增加積分點的方式來近似模擬板厚度方向的力學響應結果，則另當別論。其二為根據具體工程單元主要工作特性，在工程分析中，有些時候工程師容易犯形而上學的錯誤，以索單元和梁單元為例，當結構分析需要考察的是構件的受拉特性，或者說構件實際工作特性主要以受拉為主的時候，這時候可以采用索單元模擬，但是，當需要考察柔性構件的垂度效應時，則可以采用降低抗彎剛度和抗剪剛度的梁單元來分段模擬拉索，從具體構件的工作特性抽象出對應的力學模型，是單元選擇最重要的原則。
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圖3 裂紋擴展云圖
（2） 力學響應規律?
應力分布分析：分析纖維混凝土在受力過程中的應力分布情況，通過應力云圖識別高應力區域，如裂縫附近、纖維與混凝土界面處等。研究應力在混凝土基體和纖維之間的傳遞和分配機制，以及纖維對降低混凝土基體應力集中的作用。
圖4 應力云圖
6、 結論與拓展應用?
（1） 結論?
擴展有限元法（XFEM）能夠有效地模擬纖維混凝土的裂縫擴展過程和力學行為，清晰地揭示纖維在抑制裂縫擴展和改善混凝土力學性能方面的作用機制。纖維的參數（摻量、長度、直徑等）和混凝土的材料性能對纖維混凝土的裂縫擴展和力學性能有著顯著影響，在實際工程和材料設計中需合理選擇這些參數。?
（2） 拓展?
本方法可進一步應用于其他纖維增強復合材料的研究，以及不同工程場景下纖維混凝土結構的分析，如橋梁、隧道、建筑結構等。通過調整模型參數和邊界條件，還可研究復雜荷載和環境因素對纖維混凝土性能的影響，為纖維混凝土的廣泛應用和性能優化提供更深入的理論支持和技術指導。?
7、 附件?
本案例中的 abaqus 模型文件和教學視頻（包括 cae、odb 和inp文件）?
展開 MAT_58材料卡片在新能源汽車復合材料底護板仿真分析中的應用
這一結果充分證明了基于前述方法標定的 MAT_58 參數集能夠有效預測CFRP層合板在高速沖擊下的力學響應。
圖6 200J沖擊能量下試驗與仿真的沖擊力-位移曲線
PART 05
結論
在新能源汽車復合材料底護板的開發中，MAT_58材料卡片通過模擬材料的各向異性、損傷演化和最終失效，使工程師能夠在虛擬環境中精準預測底護板在沖擊、剮蹭等工況下的力學響應與防護極限，為復合材料底護板實現仿真驅動設計、加速產品可靠落地提供關鍵支撐。
材料卡片定制
國高材分析測試中心聯合行業仿真機構，為客戶提供材料力學性能樣件測試及仿真軟件材料卡片生成服務，具體內容如下：
1.按照客戶的技術要求，進行高分子材料試驗（單向拉伸，缺口拉伸，剪切，雙向拉伸，沖孔，三點彎等）。
2.對材料樣件試驗結果數據進行數據處理，驗證及仿真分析標定。
4.最終交付材料樣件試驗數據結果及仿真軟件材料卡片。
展開 
高速DIC技術用于高速沖擊下平板件變形及破壞分析
材料在高速沖擊條件下的動態變形破壞過程及動態力學性能，是沖擊力學研究的熱點問題。高速三維數字圖像相關方法，是一種非接觸式的全場應變測量方法。
DIC技術可在較高應變率作用以及極端加載環境下，通過搭配高速相機，可測試高速沖擊下材料或結構的三維位移場及應變場，分析材料或結構的動態破壞形式。
通過有限元模擬，可以基于模擬來分析材料或結構受沖擊的力學響應行為。但由于材料機械性能存在一些不確定性，難以準確預測具體的響應數據。在相近材料或結構上進行測試，力學動態行為都會有差別。
模擬數據的更新有賴于實驗數據來驗證和對比，采用新拓三維高速XTDIC全場應變測量系統的數據結果，可修正或更新模擬數據。
測試過程
XTDIC 高速全場應變測量系統布置、散斑圖案和加載裝置
在測試中，使用加載裝置對平板件進行高速沖擊，新拓三維XTDIC高速全場應變測量系統同時記錄平面板材料響應。為了捕獲用于XTDIC軟件算法的圖像，通過預先在平面板材料進行隨機斑點圖案制作，在獲取高質量圖像采集的同時，極薄的散斑不會影響平板件的剛度和力學響應行為。
采用兩個高速相機（300萬像素，采集頻率為5000幀），105mm微距鏡頭，精度100微應變、0.01mm。沖擊加載裝置連接到相機的數據采集系統，確保沖擊力的測量和相機的記錄同時自動開始。沖擊裝置的力和圖像均收集激發時和激發完畢的數據，高速相機實時采集圖像。
數據分析
位移場分析
使用XTDIC系統軟件獲得了平板件受沖擊力區域的全場位移數據，從圖中可以看出整體的位移場數值左右不對稱，撞擊瞬態下點1位移為7.86mm，點2位移為6.73mm，XTDIC系統可以獲取非常精確的位移圖。
展開 UHPC加固混凝土XFEM三點彎模擬 ￥49.99
1、 引言
超高性能混凝土（UHPC）以其優異的力學性能和耐久性，在混凝土結構加固領域展現出巨大潛力。三點彎試驗是評估加固結構抗彎性能的重要手段。擴展有限元法（XFEM）能有效模擬裂縫的萌生與擴展，無需對網格進行復雜的重劃分。Abaqus 軟件作為強大的有限元分析工具，為我們模擬 UHPC 加固混凝土三點彎試驗提供了理想平臺。本模擬旨在深入探究 UHPC 加固混凝土梁在三點彎加載下的力學響應和裂縫擴展規律。
2、 模型建立
（1） 幾何模型
根據實際試驗情況，建立混凝土梁和 UHPC 加固層的幾何模型。混凝土梁尺寸為長度 1000 mm、寬度120 mm、高度 200 mm，UHPC 加固層厚度為 10 mm，裂紋長度為80mm。在 Abaqus 的 Part 模塊中分別創建梁和加固層的三維實體部件。（先構建草圖再建立模型可以節約裝配時間）
圖1混凝土尺寸參數
來源：胡少偉,魯文妍.基于XFEM的混凝土三點彎曲梁開裂數值模擬研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2014,35(04):48-51.
圖1 模型尺寸圖
（2） 材料屬性定義
混凝土：采用混凝土MAXPS損傷，具體參數如圖1所示。
UHPC：同樣采用MAXPS損傷，其彈性模量較高，設為 42.5 GPa，泊松比為 [0.2]。抗拉強度設為8.1MPA，斷裂能設為781 N/M。
（3） 裝配
將裂紋、墊塊、混凝土梁和 UHPC 加固層在 Assembly 模塊中進行裝配，確保它們的位置和相對關系與實際情況一致。
圖2 模型裝配圖
4、 模擬結果分析
通過 Abaqus 軟件模擬 UHPC 加固混凝土三點彎試驗，利用 XFEM 技術成功模擬了裂縫的擴展過程。模擬結果與實際試驗結果的對比驗證了模型的有效性。
展開 基于ANSYS的整體張拉索膜結構荷載CAE分析
此外運用ANSYS中施加溫度體荷載的方法（BFE命令），對某根吊索或脊索進行升溫，使其在整個加載過程中應力一直保持為0，即一直處于松弛狀態，以此來模擬吊索或脊索的破斷，用于研究加載過程中結構不同位置的索破斷對結構整體力學響應的影響及影響程度的不同，并分析斷索對其臨近的索膜力學響應的影響。限于篇幅在此不再贅述。
3 結論
通過對整體張拉索膜結構工程實際問題的計算分析，可以知道，利用ANSYS有限元軟件可以對索膜結構的非線性問題進行準確的模擬和計算分析。通過單元的有效選擇，模型的合理簡化，邊界條件的合理設置以及載荷的正確施加，并運用ANSYS提供的各種幫助收斂的選項，如選擇合適的非線性方程的求解方法，定義平衡迭代的最大次數（NEQIT命令）、劃分合理的荷載子步數（NSUBST命令）、定義收斂準則等，ANSYS能夠實現索膜結構的找形和載荷分析，并取得良好的效果。通過分析，揭示了本文中索膜結構的靜力性能、彈塑性性能和動力特性，并為工程實踐提供指導。
展開 非仿射性：非晶平面圖網絡中的涌現現象
由鉸接彈簧組成的非晶力學網絡就屬于這樣一個復雜的系統。由于該網絡具有非仿射性，在外部施加的應變驅使下，內部質點位移場趨于混沌，且沒有完善的理論框架來解析地描述這些點的集體行為。
非晶平面圖網絡的非仿射力學響應非常普遍。完全的仿射響應只能出現在那些每個晶胞僅有一個位點的晶格網絡中。網絡的非仿射性阻礙了我們進一步研究其內稟屬性（如連接度、局部結構和拓撲特征）與力學行為之間的關系。
因此，預測非晶網絡的力學響應是一個復雜的問題。據報道，一種源自堵塞態的非晶網絡具有幾乎完美的仿射力學行為，這違反了傳統認知，但這一發現可能有助于揭示影響網絡仿射性的結構因素。
02
成果掠影
南方科技大學沈翔瀛研究員、朱桂妹副研究員和李保文教授團隊對非晶平面圖網絡的仿射性如何影響網絡的力學特性（剪切模量、體積模量、泊松比等）領域最新進展做了一個簡短的回顧。同時簡述了阻塞態網絡中存在的仿射性相變并探討了仿射性與網絡均勻性等結構屬性之間的關聯。綜述以“Non-affinity: The emergence of networks from amorphous planar graphs”為題發表于《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》。
03
圖文導讀
圖1. 在剪切應力和壓縮應力作用下，不同親和度網絡中節點的位移場。箭頭表示由施加在網絡邊界上的應變引起的節點位移向量。
圖2.
展開 