準靜態拉伸的案例
LS-DYNA考慮熱效應的準靜態拉伸仿真 ￥19.98
本文以材料單軸拉伸試驗為例，說明如何在LS-DYNA中實現熱-力耦合仿真。本例K文件中去除溫度等關鍵字可實現無溫度的準靜態拉伸。
1. 工況
某合金材料以某一速率進行準靜態加載，環境溫度為500攝氏度。試樣網格如圖所示，一端固定，一端進行加載，研究溫度效應對材料的影響。
2. 求解設置
本例子，采用隱式算法，設置*INITIAL_TEMPERATURE、*LOAD_THERMAL，*CONTROL_THERMAL-等關鍵字，實現金屬材料的熱-力耦合求解
3.結果
有效應力云圖：
溫度云圖：常溫算例中，如有僅結構仿真，沒有熱傳導，使試樣中的塑性功90%轉化為溫度。500度算例中，固定端和加載段為剛體材料，不產生熱。
力-位移曲線，從圖中明顯看出溫度的軟化效應。
展開 國高材分享 | 如何準確獲得應變速率0.001/s 至1000/s區間的應力-應變曲線
在應變速率0.001/s至1000/s區間內，要獲得不同數量級下的應力-應變曲線，需要不同的測試設備，即準靜態萬能材料試驗機和高速拉伸試驗機。準靜態萬能材料試驗機可滿足應變速率0.001/s至10/s（準靜態拉伸應變速率）下的測試，高速拉伸試驗機可滿足應變速率10/s至1000/s（高速拉伸應變速率）下的測試。
所以，“如何獲得應變速率0.001/s 至1000/s區間的應力-應變曲線”這一問題，可轉化成“如何將兩套工作原理不同的測試設備測得的結果完美且可靠地整合在一起”。回答此問題，需要從以下四個方面進行設計。
（一）試樣設計
試樣幾何尺寸不一樣，尤其是試樣的平行部長寬不一樣，即使是同一臺測試設備，獲得的測試結果也會不一樣。因此在不同的測試設備上進行測試，試樣的平行部長寬必須一致。
我們知道高速拉伸試驗機具有其倔強性（局限性），所以試樣的設計只能以高速拉伸試樣為基準，設計準靜態拉伸試樣，讓準靜態試驗機的試樣遷就高速拉伸試驗機的試樣，沒有其他選擇。準靜態拉伸試樣的平行部長寬與高速拉伸試樣的平行部長寬一致，只是試樣個子（總長）高些。
（二）應變測量
在常規拉伸試驗中，應變測量設備一般有機械接觸式引伸計、激光引伸計、光學應變測量系統等。既能用于準靜態拉伸測試又能用于高速拉伸測試，當屬激光引伸計和光學應變測量系統。論測量信息的豐富度，似乎光學應變測量系統又要勝一籌。為了獲得應變速率0.001/s 至1000/s區間可靠的應力-應變曲線的一方-應變,暫且選用光學應變測量系統作為應變的測量設備。
展開 準靜態過程的能量問題
準靜態拉伸
1. 如何判斷一個過程是準靜態過程，通常通過不同模型的能量響應。
在abaqus/Explicit 中，有如下能量平衡方程
EI為內能（彈性應變能，塑性耗散能，蠕變或粘彈性耗散能，為應變能，如殼單元或者梁單元的橫向剪切應變儲存的能量）
Ev是粘性耗散能，（阻尼過程做功）
EFD是摩擦耗散能
EKE是動能，
EIHE是內部熱能
EW是外載做的外力功
EPW是由于接觸懲罰
ECW是由于約束懲罰
EMW質量縮放做功
EHF是通過外部通量產生的外部熱能
能量之間可以轉換，但是總量應該是一個常數，這就是能量平衡原理。
2. 單軸拉伸實例說明
圖1 單軸拉伸示意圖
如圖1是一個單軸拉伸示意圖，我們通過質量縮放，縮小自然時間等手段可以對計算進行加速。但是如果加載過快，就會導致速度過大。質量縮放不合理，就會導致質量過大，這兩個選項共同影響動能，如果動能在這個過程中占比超過內能的5%，那我們認為這個就不是準靜態過程。需要調整參數，重新加載。
如果輸出該過程的能量歷史，曲線應該是這樣的。
如果加載過程中，除了要研究的物體，還有施加約束或者剛體，不是我們要研究的主體，但是能量歷史輸出的是整個模型的能量，這時候就要減去剛體部分的動能。分析主體的能量中的動能占比。
圖3 gyroid壓縮過程
如圖3所示，加了兩塊剛體進行加載。那么首先要在歷史輸出中定義壓板的能量輸出，之后再用總的動能減去剛體動能，得到極小曲面的動能。進而來判斷是否滿足準靜態過程。
沒有減去剛體部分動能時，得到的能量曲線是不合理的，如下圖4所示，所以要減去剛體的動能。
圖4 動能與內能曲線
展開 應力三軸度助力仿真分析結果更貼合工程實際
通過模擬不同尺寸的缺口單軸拉伸實驗、單軸壓縮實驗、剪切實驗等，可以獲得一系列斷裂時的應變，進而插值擬合成應力三軸度與斷裂應變的關系曲線。
結論
應力三軸度是一個關鍵的材料性能參數，它不僅影響材料的塑性變形，還直接關系到材料的斷裂和失效。了解和應用應力三軸度對于材料設計、結構優化和工程安全至關重要。隨著計算技術的發展，應力三軸度的分析和應用將更加精確和廣泛，為材料科學和工程領域帶來新的突破。
材料卡片定制服務
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。
3.輸出仿真分析標定結果，并根據各種材料本構要求生成相應仿真軟件材料卡片。
4.最終交付材料樣件試驗數據結果及仿真軟件材料卡片。
MAT_24號材料卡片生成一般包括如下力學試驗：
1） 準靜態拉伸試驗
準靜態拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。
2） 中應變率拉伸試驗
中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5組，試驗重復率或5組。
MAT187號材料卡片生成一般包括如下力學試驗：
1） 準靜態拉伸試驗
準靜態拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。
2） 中應變率拉伸試驗
中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5組，試驗重復率在5個。
展開 
汽車碰撞仿真中的GISSMO材料卡片及設置方法
素材來源于網絡
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1） 準靜態拉伸試驗
準靜態拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。
2） 中應變率拉伸試驗
中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5組，試驗重復率或5組。
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準靜態拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。
2） 中應變率拉伸試驗
中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5組，試驗重復率在5個。
3） 壓縮試驗
準靜態壓縮試驗，應變速率是0.001/s、0.01/s，2組，試驗重復至少5組。
4） 三點彎曲試驗
非金屬高速三點彎曲試驗，試驗速度在是50mm/s、150mm/s，300mm/s，試驗重復率在3個。
5） 高速穿孔試驗
對于該試驗，沖擊速度在10,mm/min。
展開 塑料/復合材料如何選擇合適的材料卡片類型
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1） 準靜態拉伸試驗
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2） 中應變率拉伸試驗
中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5組，試驗重復率或5組。
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準靜態拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。
2） 中應變率拉伸試驗
中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5組，試驗重復率在5個。
3） 壓縮試驗
準靜態壓縮試驗，應變速率是0.001/s、0.01/s，2組，試驗重復至少5組。
4） 三點彎曲試驗
非金屬高速三點彎曲試驗，試驗速度在是50mm/s、150mm/s，300mm/s，試驗重復率在3個。
5） 高速穿孔試驗
對于該試驗，沖擊速度在10,mm/min。
展開 汽車材料的高速碰撞材料卡片及其應用方法
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中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5組，試驗重復率或5組。
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中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5組，試驗重復率在5個。
3） 壓縮試驗
準靜態壓縮試驗，應變速率是0.001/s、0.01/s，2組，試驗重復至少5組。
4） 三點彎曲試驗
非金屬高速三點彎曲試驗，試驗速度在是50mm/s、150mm/s，300mm/s，試驗重復率在3個。
5） 高速穿孔試驗
對于該試驗，沖擊速度在10,mm/min。
展開 ABAQUS準靜態分析方法
在模擬過程中，變形材料的動能決不能超過其內能的一個很小的百分比（典型地為5%到10%），這時候我們認為這個過程近似為準靜態過程。
4、操作過程：
具體的分析過程通過三個案例演示，分別為準靜態單向拉伸、三點彎曲、軸向壓縮。視頻鏈接如下https://www.yqgqt.org.cn/college/video/c12146
復合材料殼單元準靜態拉伸模擬 ￥3
文件
力學仿真 | 塑性材料卡片仿真準確性提升方法分享
國高材分析測試中心具備成熟的高分子材料材料卡片制作技術經驗，可依照標準材料卡片制作流程，進行樣品制備和相關性能測試，如在高低速應變率下，結合非接觸式數字圖像相關（DIC）測量方法，精準獲取在拉伸、剪切及壓縮等試驗下的高分子材料參數，并依照常用的商業仿真軟件格式來整合材料特性參數，保證這些材料特性參數可順利應用于各類仿真軟件，為仿真結果的準確性保駕護航。
國高材分析測試中心制作材料卡片涉及的材料特性參數與設備。
1 單軸拉伸試驗
在碰撞仿真模擬當中，不同應變速率下的應力應變曲線至關重要。通過準靜態拉伸試驗可以獲得屈服強度、斷裂伸長率、彈性模量等關鍵參數。
泊松比是高分子材料的彈性常數，也被稱為橫向變形系數。在材料進入彈塑性變形階段后，泊松比不再被視為常量，而是與應變相關的函數。為了獲得泊松比隨塑性應變曲線，需要將DIC輸出的曲線與力學試驗機輸出的處理后的真實應力-真實塑性應變曲線相結合。這樣可以得到準靜態拉伸過程中泊松比隨塑性應變曲線。
通過簡單的準靜態拉伸試驗，可以觀察到在不同應變速率下，高分子材料在屈服強度、彈性模量等參數上存在明顯的差異。在高速變形情況下，這種差異將進一步放大。這是由于在材料的彈性階段，除了分子內部鍵長和鍵角的變化外，還會發生其他次級轉變運動，這些運動也會對彈性模量產生影響。隨著應變率的增加，次級運動受到的約束越大，彈性模量也越大。
圖1 PP材料的真實應力-真實應變曲線
圖2 PC材料的真實應力-真實應變曲線
2 壓縮試驗
壓縮試驗是評估材料在受到壓力作用時的抗壓性能和變形特性的一種方法。通過在不同應力水平下的壓縮試驗，可以獲取材料的屈服強度、壓縮模量、壓縮強度等關鍵參數。
展開 高應變速率和準靜態力學拉伸性能有什么不同？如何準確選擇測試設備？
基于高速液壓伺服試驗機的材料動態拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態拉伸載荷、動態應變，以及失效過程的熱耗散數據是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位，飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。飛機結構在沖擊載荷作用下，材料的力學行為相較準靜態加載需考慮應變率效應的影響，即隨著加載應變率的提高，材料往往呈現出一定的應變率敏感性。以往研究表明，高強度材料的強度極限和失效應變等參數隨著應變率的提高會發生顯著變化，因此，為準確進行飛機結構的抗沖擊設計和分析，需通過試驗手段獲得材料的動態力學性能參數。
一般而言，應變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應變率狀態，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態和高應變率狀態。需要說明的是在不同的應變率范圍，需匹配不同的試驗設備進行力學性能測試，如圖1所示，如準靜態范圍一般通過常規的靜態試驗機，中低應變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗機，而高應變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗裝置。相較而言，中低應變率范圍內的材料動態力學性能測試方法尚沒有準靜態和高應變率下的測試方法成熟，主要體現為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數測試、試驗數據處理等方面有待進一步形成共識。
圖1 典型材料在不同應變率范圍的試驗裝置
高速拉伸試驗機
霍普金森桿
材料的動態應變測試
材料力學性能試驗中應變測試的常規方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規應變片使用量程的限制，無法測量材料的塑性變形全過程。而材料動態拉伸試驗為瞬態破壞過程，傳統機械引伸計易發生損壞也不適用。
展開 
直播預告-汽車增強塑料結構多尺度分析及輕量化仿真技術
準靜態條件下，不同玻纖取向的應力-應變曲線
為了最終預測沖擊響應，還需要考慮材料的應變率效應。為此，測試了三種玻纖取向的3個應變率（1/s，20/s，200/s）動態試驗，其中玻纖取向0°試件各應變率下的測試結果如圖2所示。
圖2. 不同應變率下試樣的應力-應變曲線。
為了考慮熔接線對強度的影響，制備試樣時，在中心位置注塑形成熔接線。樣件尺寸參考ISO 527 1A標準，厚度為4mm。通過拉伸試驗獲得熔接線的強度，結果如圖3所示。
圖3. 含有熔接線的試樣的應力-應變曲線
多尺度復合材料本構建模
Digimat具備復合材料逆向建模功能，提供材料參數自動化擬合工具。本文基于0°, 45°, 90°拉伸試驗結果，通過材料逆向工程得到基體和增強相的彈塑性材料本構參數。
在此基礎上，還進行了復合材料失效參數逆向標定。這里使用基于應變的Tsai-Hill橫觀各向同性失效準則，失效機理定義為FPGF(First Pseudo-Grain Failure)。
圖4. 材料逆向建模結果與測試結果對比：（a）準靜態拉伸；（b）動態拉伸
最后，基于不同應變率條件下的測試結果，利用材料逆向工程得到基體和增強相在不同應變率情況下的彈塑性材料本構。結果如圖4所示，通過逆向工程構建的復合材料本構模型，能夠很好的描述試件中材料的準靜態拉伸、失效以及動態拉伸行為。
尾門內板沖擊性能分析
使用模流仿真分析，可以得到尾門內板的玻纖取向和熔接線分布如圖5所示。結果表明在尾門內板不同位置，玻纖取向存在較大差異，并且結構中存在大量的熔接線，這些都對尾門內板性能有著重要影響。
通過Digimat的工藝映射功能，可以將玻纖取向和熔接線分布結果映射到結構有限元網格上，從而在結構仿真分析中考慮兩者的影響。
圖5.
展開 基于ABAQUS的標準試件單向拉伸斷裂仿真（本教程已出視頻，請大家直接到我的主頁購買視頻） ￥10
本帖詳細闡述標準試件在準靜態拉伸工況下變形斷裂的建模方法，輸出拉伸力-位移曲線，以便與測試結果進行對標。
以下為仿真結果與輸出的力-位移曲線：
超薄電子產品外殼用復合材料動態拉伸力學行為特征及其失效機理研究
在圖8(d)～圖8(f) 中，3 種試件的拉伸斷口在1s-1加載速率下與 0.001s-1加載速率下相似，損傷模式均存在纖維拔出、纖維斷裂、基體脆性斷裂、纖維與基體脫粘 4 種失效模式。
圖8(g)～圖8(i) 顯示，在 1000s-1加載速率下，3 種試件的斷口形貌與準靜態加載下有明顯不同，拉伸斷裂失效模式更接近于塑性斷裂，表現為斷口面參差不齊，試件主要表現出纖維拔出、纖維斷裂、基體塑性變形、基體塑性斷裂、纖維與基體脫粘 5 種失效模式。
與準靜態加載下纖維方向為 90°的試件的斷口相比發現，圖8(i) 中試件基體產生明顯的塑性變形，基體起主要承載作用。相對于準靜態拉伸，動態拉伸過程可以認為是一個絕熱過程，試件在短時間內發生急劇變形，產生的熱不能及時地傳導至周圍環境中，因此，試件變形區域的溫度升高。
綜上所述，在1000s-1 的高應變率加載下，玻璃纖維增強 PC 復合材料的抗拉強度和破壞應變較準靜態加載時出現大幅增大的主要原因是：高應變加載下試件發生絕熱溫升，溫度的上升導致 PC 基體軟化，塑性變形程度加深，纖維在拔出過程中與 PC 基體間的黏附力增強。
0
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結論
(1) 玻璃纖維增強 PC 復合材料具有顯著的應變率敏感性，隨著應變率的增加，材料的拉伸強度和破壞應變均增加。
(2) 0°方向（即沿加載方向）的玻璃纖維能夠有效提升玻璃纖維增強 PC 材料的抗拉強度，45°和90°的玻璃纖維對材料拉伸強度和破壞應變增強效果不明顯，PC 基體在拉伸過程中起主要承載作用。
展開 Dyna準靜態擠壓分析 ￥10
關鍵字
*MAT_RIGID
*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID
*DEFINE_CURVE_SMOOTH
*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_ID
*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE_ID
*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE_ID
光滑曲線加載
計算結果動畫
能量曲線
如何確定準靜態分析合理的計算時間？
先計算箱體模態，1階模態頻率為76.8Hz，對應的時間周期為0.013s，考慮到加載到150mm停止后的時間，取0.015s作為1倍周期時間。
分別取1倍，10倍，50倍周期時間作為計算時間，結果如下圖：
藍色曲線為擠壓力曲線，紅色曲線為剛性墻反力曲線。
對比3種計算時間下的擠壓力曲線：
對于準靜態分析，10倍周期以上的計算時間能得到相對準確的結果。1倍周期的計算時間得到的結果帶有明顯的動態效應。
附件為K文件：
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