超大變形的案例
ABAQUS經典案例——橡皮繩超大變形纏繞動態分析inp文件 ￥3.5
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。
Science：超級單晶納米金剛石，強度89-98GPa，彈性形變9%！
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 從ANSYS收購LS-DYNA談顯式動力學軟件 附ANSYS_LS-DYNA動力分析方法與工程實例下
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 液態金屬，又有新突破！中國離造出真正的“終結者”有多遠？
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 
極端變形仿真破局：Simdroid-MPM新一代高性能、復雜場景物理引擎強勢來襲！
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。
展開 Nastran 顯式非線性分析SOL 700
該模塊采用顯式積分法，并能模擬各種材料非線性、幾何非線性和碰撞接觸非線性，特別適合于分析包含大變形、高度非線性和復雜的動態邊界條件的短暫的動力學過程。軟件同時提供拉格朗日求解器與歐拉求解器，因而既能模擬結構又能模擬流體。拉格朗日網格與歐拉網格之間可以進行耦合，從而分析流體與結構之間的相互作用，形成精確獨特的流固耦合求解技術。該軟件具有豐富的材料模型，并且提供各種接觸的定義模式，能夠模擬從金屬、非金屬(包括土壤、塑料、橡膠，泡沫等)到復合材料，從線彈性、屈服、狀態方程、破壞、剝離到爆炸燃燒等各種行為模式，及模擬各種復雜邊界條件。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。
SOL 700模塊支持160多種材料模型，具有50多種接觸類型，接觸類型齊全，并具有極好的并行計算能力，包括分布式并行算法(DMP)和共享內存式并行算法(SMP)。DMP不僅可用于結構分析，而且可用于流固耦合分析，支持含多材料歐拉域的FSI分析。目前，SOL700已經支持LSTC 50%分位的三代假人模型。
SOL700廣泛應用在以下領域：
(1)結構的碰撞性分析，如汽車、飛機、火車、輪船等運輸工具的碰撞分析、船體擱淺、鳥體撞擊飛機結構、航空發動機包容性分析等。
(2)安全防護分析，如安全頭盔設計、安全氣袋膨脹分析以及汽車一安全氣囊一人體三者結合在汽車碰撞過程中的響應，飛行器安全性分析(飛行器墜毀、帶氣囊著陸等)。
展開 Linear Buckling和Eigenvalue Buckling Analysis有什么區別
而【Nonlinear–based Eigenvalue Buckling】計算結果與區別如下：
在設置方面與【Linear Buckling】不同的是需要在靜力分析中將大變形開關打開，給其賦予非線性特性，另外在屈曲分析設置中將“Keep Pre-Stress Load-Pattern”屬性設置為“Yes”，給予屈曲分析一個初始的擾動載荷，這也是軟件默認的。
如上圖所示：
當P=0.01Mpa時，計算的載荷因子為1184，那么臨界失穩載荷=0.01+0.01×1184=11.85Mpa；
當P=0.1Mpa時，計算的載荷因子為117.5，那么臨界失穩載荷=0. 1+0.1×117.5=11.85Mpa；
當P=1.0Mpa時，計算的載荷因子為10.851，那么臨界失穩載荷=1.0+1×10.851=11.851Mpa；
當P=10Mpa時，計算的載荷因子為0.089432，那么臨界失穩載荷=10+10×0.089432=10.89432Mpa；
當P=100Mpa時，靜力分析中直接出現非線性不收斂情況，最終無法計算載荷因子；
由上計算結果不難看出，非線性特征值屈曲分析的載荷值是不能隨便施加的，這個載荷值是個對計算結果有重要影響的“有量綱的真值”，因為這個值是作為初始擾動載荷施加在屈曲分析中的，當載荷較小的時候，計算的結果才是準確的，如上面在P=0.01~1Mpa時候計算的臨界失穩載荷幾乎相同，在P=10Mpa時，臨界失穩載荷值是10.89Mpa，而當P=100Mpa時，這個載荷值早已超出該結構的臨界失穩載荷，出現超大的變形，且非線性計算無法收斂了。
展開 ALE與S-ALE 相同與不同
這些大動量或能量密度會在很短時間內被傳遞到固體結構上，造成結構的大變形或損傷。ALE/FSI在處理以瞬態，高能，大動量，結構大變形為特征的，例如爆炸，油箱液體晃動， 容器跌落，飛鳥撞擊， 彈藥撞擊，飛行器濺落等工程問題上，有著較強的優勢。
經濟的ALE 投影功能(Cost-Efficient ALE Mapping)
除了三維ALE求解器外，LS-DYNA ALE還包含一維球對稱和二維軸對稱功能。 ALE 投影功能可將ALE模型在這三種求解器間轉換，從而極大加快求解速度。 投影功能支持如下映射：1D到2D，1D到3D，2D到2D，2D到3D和3D到3D。 通常這一功能在爆炸波沖擊結構問題上廣泛使用。 在爆炸波到達結構前，可由一維球對稱ALE快速求解，之后問題再投影到三維ALE網格上來分析空氣與結構間的相互作用。
處理固體大變形的ALE單材料單元方法 (ALE Single Material Element to Cure Element Distortion)
ALE方法在處理固體大變形方面，有著極大的優點。通常的拉格朗日有限元方法，可以用加高網格密度或采用高階單元的方法處理網格畸變（Mesh Distortion)。 但這種做法只能減輕網格畸變而無法有效阻止。 ALE方法可采用網格舒緩法（Mesh Smoothing）降低畸變處的網格密度而有效防止網格畸變，從而保證有限元計算的進行。 LS-DYNA ALE單材料單元類型5（SOLID ELEMENT TYPE=5) 采用網格舒緩法。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。
展開 APDL Showcase4: 圓盤鍛造-網格重劃分分析
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。
那么接下來就是簡要的命令流講解~
02
—
模型邊界條件
這個模型初始狀況如圖所示。
上下都是剛體，中間的是軸對稱變形體。兩個接觸對都為剛-柔接觸。邊界條件已經定義好了，也沒啥特殊，底端固定，左側軸對稱邊界，頂端向下施加強制位移唄。
P.S: 據我有限的了解，Workbench環境下就不允許在軸對稱模型中定義剛體。甚至連在軸對稱模型里加入線體都很難，且只能定義成剛性梁。
/prep7
cdread,db,ringforging,cdb
ringforging.dat文件，命令流開頭自然是導入cdb模型數據。
!! Material is AISI 8620
mp,ex,1,200e3 !MPa
mp,nuxy,1,0.3
tb,nliso,1,,,power ! Nonlinear Isotropic Hardening with Power Law
c11=385.4 ! Initial Yield Stress
c12=0.134 ! Power value
tbdata,1,c11,c12
接下來是定義冪指數形式的塑性硬化本構模型。總之就是一個塑性金屬模型啦。
展開 2021年第一期《Science》：將金剛石拉伸到極大均勻彈性變形！
通常，金剛石被認為是不可彎曲的，但薄的樣品實際上可以有彈性變形。
近日，來自香港城市大學Alice Hu和陸洋、哈爾濱工業大學朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者，以~100納米寬度制備了長度~1微米的單晶金剛石橋結構，并在室溫下沿[100]、[101]和[111]方向單軸拉伸載荷下獲得了樣品寬的均勻彈性應變。相關論文以題為“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”于2021年元月1日發表在國際頂級期刊Science上。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76
金剛石，因其超高的導熱性、介電擊穿強度、載流子遷移率和超寬的帶隙，而成為電子和光子材料的珠穆朗瑪峰。實現金剛石基電子和光電器件的一個嚴重障礙是，其大禁帶及其晶體結構所帶來的摻雜挑戰。一個可能的解決方案是應用彈性晶格應變，它可以從根本上改變材料的性質。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。以往對金剛石的應變嘗試，往往受到彎曲使應變在小樣本體積內的限制，導致應變分布不均勻。這些樣品很難控制，產生的高應變場高度局域化。大的均勻彈性應變，通常是器件陣列的深層ESE的理想初始狀態。
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