超大變形
關注創建者：ABAQUS線上工作室 創建時間：2022-09-25
超大變形的實例教程
該例子考慮了幾何非線性、非線性彈性材料參數與接觸非線性，分析了橡皮繩在外力驅動下的拉伸和扭曲變形，并在外力撤銷后應變能釋放，與動能相互轉化的過程，感興趣的朋友可以下載inp文件進行學習交流。
各種高強度材料的強度對比
有鑒于此，香港城市大學Yang Lu、Wenjun Zhang與美國麻省理工學院的Ming Dao、新加坡南洋理工大學的Subra Suresh團隊合作，報道了一種具有超大彈性變形能力的單晶納米金剛石，強度達到接近其理論極限的89-98 GPa，彈性形變達到9%！
圖2. 納米針尖狀金剛石的制備
研究人員首先通過CVD制備<111>取向的金剛石薄膜，然后通過反應性離子刻蝕策略，制備得到特征尺寸約300 nm的單晶納米針尖金剛石。計算預測其理論拉伸應變為13%，理論拉伸強度可達到130 GPa。實際測試表明，這種單晶納米金剛石最大拉伸應變（9%）接近其理論彈性極限，相對應的，其最大拉伸應力可達到89-98 GPa，而體相金剛石拉伸強度不足10 GPa。
眾所周知，金剛石具有極高的強度，但是不具有彈性變形能力，如果你想要讓金剛石變形，唯一的辦法就是打碎它。而這種納米化的針尖狀金剛石則不僅具有超高的強度，還可以超大幅度的彈性變形。
圖3. 單晶納米針尖狀金剛石的超大彈性變形
結合系統的計算模擬以及表征測試，研究人員認為，這種納米金剛石的超高強度和超大彈性變形的同時存在，一方面歸根于小體積納米金剛石中的缺陷很少，另一發方面是因為納米金剛石比體相金剛石具有更加光滑的表面。
圖4. 材料最大彈性拉伸應變匯總
總之，這項研究發展了一種具有超大變形能力的高強度材料，開辟了納米金剛石在微電子器件和藥物輸送等領域的新應用，并為金剛石的納米結構、形貌、彈性應變以及物理性能的設計與優化，帶來了新的啟發！
1.
展開 每個單元內部，Lagrange能捕捉離散模型的材料點，并且跟蹤力作用下的物質變形，最終得到單元的變形。
Euler方法是材料在一個固定的網格中流動，非常適合于模擬固體的超大變形，以及流體、氣體的流動。采用ANSYS理想Euler求解器，網格會自動生成，不需要人工輸入控制。
任意Lagrange–Euler算法（ALE）繼承了Lagrange和Euler各自的優點，同時去除它們的缺點，適用于模擬材料的超大變形，同時關注高分辨率激波問題。光滑粒子流體動力學（SPH）是一種無網格的方法，適用于模擬材料的破碎。例如，超高速撞擊、脆性材料的裂紋擴展。
同一個問題中可以聯合使用S P H 、Lagrange、Euler、ALE求解器，從而盡可能提高計算過程的效率以及計算結果的精度。
某一沖擊動力學仿真在幾款不同工具下的求解結果對比如下：
1)ANSYS/DYNA
2)LS-DYNA
3)Explicit Dynamics
下載地址：ANSYS_LS-DYNA動力分析方法與工程實例
展開 1月30日，清華大學、中國科學院理化技術研究所與中國農業大學的聯合研究小組在美國化學學會期刊ACSOmega上刊發了一篇論文，描述了他們發明的一種全新的可實現超大尺度膨脹變形的液態金屬復合材料，這一突破將可編程、可變形液態金屬柔性智能機器人研制工作向前推進了一大步。今天小編就著重向大家介紹一下這一研究成果。
論文傳送門：
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsomega.8b03466
在介紹這項研究成果之前，小編想提到的是：在液態金屬研究上，我國正處于領跑者地位，是中國向世界輸出原創科研成果的代表。中國團隊在十分有限的條件下經過近20年持續不斷的努力，做出的大量研究在國際上持續引發著重大而廣泛的影響，超前優勢十分明顯，還使得液態金屬研究從冷門逐漸成為國際上備受矚目的重大科技熱點。
有多超前呢？在中國團隊提出液態金屬冷卻芯片技術10多年后，美國國家宇航局（NASA）于2014年將“液態金屬冷卻”列為未來前沿技術。如今，液態金屬研究被譽為人類利用金屬的第二次革命。
回到前文，中國團隊發明了“一種全新的可實現超大尺度膨脹變形的液態金屬復合材料”，這是一種怎樣的材料？能實現哪些應用？
這種材料其實是一種內部包含低沸點工質的，由液態金屬和硅膠制成的材料。（液態金屬并不只是一種，而是種類繁多的大家族，通過不同的金屬和配比，可以獲得不同性能的液態金屬）研究小組負責人、清華大學劉靜教授表示，這種材料也是我國在國際上最早提出的液態金屬硅膠復合材料體系的延伸。
這種可以被3D打印成任意形狀的特殊材料，可以擺脫其它剛體支撐物和溶液環境并得以站立，呈現出超大尺度變形和運動功能，且全部過程可逆。
展開 可廣泛應用于碰撞沖擊、穿甲侵徹、鳥撞、爆炸破碎、毀傷斷裂、巖土地質、流固耦合等涉及結構與材料極端變形的工程問題。
算法優勢帶來10-100倍效率提升
充分融合拉格朗日法和歐拉法的優點，天然適應極端變形問題分析，在保證計算精度的同時，實現計算效率10-100倍的顯著提升。
每步重置背景網格，避免了網格畸變；
借助拉格朗日質點，易于追蹤物質界面；
質點與網格信息映射，化解了對流項計算難題；
自動處理多體接觸，無需搜索鄰近粒子。
MPM單步計算流程示意圖
高效求解大規模復雜物理場景
集成OpenMP、MPI并行計算技術，可實現高性能求解，用戶可自定義并行分區數量；支持超大規模物理場景（km級工程場景）分析應用，千萬級物質點規模可描述更精細的模型細節；支持高效求解多物理場（固體、流體、氣體耦合）問題的超大變形行為，以及涉及高應變率、移動界面問題的分析。
突破傳統仿真邊界：自適應物質點有限元法
可實現求解過程中有限單元自動轉換為物質點粒子。解決了“單元生死”技術引起的非物理質量耗散和能量損失問題，滿足質量守恒、能量守恒要求。兼顧了有限元的高精度與物質點的高效率，自適應轉換過程不影響時間步長，避免了傳統算法中網格畸變導致的時間步長急劇減小；提供靈活的單元-物質點自適應轉化條件，包括力學判據、幾何判據、單元形狀判據等，可任意組合。
鳥撞
長桿侵徹金屬板
高精度算法：精準模擬物理現象
無需引入非物理操作（如單元侵蝕），即可自然描述極端變形過程，物質點所攜帶的材料信息可高精度描述變形歷史，通過背景計算網格實現物質點動量信息的交換，有效克服了傳統粒子類方法（如SPH）的穩定性瓶頸。
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對于超大變形問題，SOL 700提供了獨特的無網格SPH(Smooth ParticleHydrodynamics)技術，保證計算的收斂和精度。同時，SOL 700還支持鏈式分析功能，可以進行顯式一顯式、顯式一隱式、隱式一顯式一隱式的鏈式分析，用于多步跌落分析、回彈分析和預應力一回彈分析。
該例子考慮了幾何非線性、非線性彈性材料參數與接觸非線性，分析了橡皮繩在外力驅動下的拉伸和扭曲變形，并在外力撤銷后應變能釋放，與動能相互轉化的過程，感興趣的朋友可以下載inp文件進行學習交流。
Euler方法是材料在一個固定的網格中流動，非常適合于模擬固體的超大變形，以及流體、氣體的流動。采用ANSYS理想Euler求解器，網格會自動生成，不需要人工輸入控制。
任意Lagrange–Euler算法（ALE）繼承了Lagrange和Euler各自的優點，同時去除它們的缺點，適用于模擬材料的超大變形，同時關注高分辨率激波問題。
最近，通過彎曲納米金剛石針，證明了超大彈性變形。局部拉伸彈性應變，在幾十納米范圍內達到9%以上，強度接近金剛石的理論極限。這一發現表明，深度彈性應變工程(ESE)，可能會從根本上改變金剛石的物理性能，即在金剛石中誘導非常高的(>5%)拉伸和/或剪切彈性應變。
然而，人們需要在足夠大的容量中精確控制，以充分利用深度ESE在工業上非常大規模的集成。
最終的von-Mises等效應力云圖動畫如下：
可以看到，網格重劃分分析對于計算這類具有超大塑性變形的問題，尤其是鑄造過程的模擬還是很有效的。
為了驗證一下結果，筆者又試算了幾次，發現在P=10.3Mpa的時候就已經出現不收斂的現象了，此時雖未超出臨界失穩載荷，但這個初始擾動載荷已經達到失穩載荷的87%了，已經開始導致該結構出現超大變形而造成無法收斂的結果了。
與其它大變形處理方法相比，ALE單材料單元所需計算時間較少，內存較小，處理極大和超大變形的能力更強。
Structured ALE: 針對規則網格的快速求解器
在處理這些問題時，我們發現，絕大多數情形下，ALE模型采用規則正交網格(rectilinear)，也稱為IJK網格。
這種可以被3D打印成任意形狀的特殊材料，可以擺脫其它剛體支撐物和溶液環境并得以站立，呈現出超大尺度變形和運動功能，且全部過程可逆。
而這種納米化的針尖狀金剛石則不僅具有超高的強度，還可以超大幅度的彈性變形。
圖3. 單晶納米針尖狀金剛石的超大彈性變形
結合系統的計算模擬以及表征測試，研究人員認為，這種納米金剛石的超高強度和超大彈性變形的同時存在，一方面歸根于小體積納米金剛石中的缺陷很少，另一發方面是因為納米金剛石比體相金剛石具有更加光滑的表面。
圖4.
