ansys材料性質的案例
Moldex3D模流分析材料性質與模型之熱塑材料黏度模型
本章主要是介紹Moldex3D 的基本理論，包含有：
•材料的模型
•基本理論及原理，包括充填、保壓、冷卻、翹曲、纖維、反應型材料及氣體輔助射出等各項模塊。
• 材料模型 (Material Models)
材料的模型是用來顯示高分子或塑料材料在許多不同的狀況下所顯示的特性，有了這些模型，Moldex3D便能夠依程序變化過程加以計算其動態變化情形。一般而言，塑料材料共分兩種，其一為熱塑性，另一種則為熱固性。對熱塑性材料而言，我們必須了解其黏度、壓力-比容-溫度特性 (在不同壓力及溫度下的比容)、熱傳導性、比熱及機械性質。至于熱固性材料，則需知道其在上述這些基本性質中的反應特性。為進一步說明此等特性，我們將探討熱塑性材料；并討論熱固性材料。另外，Moldex3D可供使用者自行輸入所需的參數，因此，用戶必須小心注意單位換算以避免產生分析上的問題。下表為在Moldex3D中常用的單位換算表。
注：Moldex3D 允許使用者自行輸入材料參數，用戶必須小心注意單位換算以避免產生分析上的問題。
1. 熱塑材料黏度模型(Viscosity Model for Thermoplastic)
黏度為流體本質上想抵抗流動的指數。通常小分子之簡易流體 (Simple fluids)，如水、油等，其黏度在常溫下通常為一個常數值，這些流體被通稱為牛頓流體。然而，對熱塑性塑料材料而言，它們的黏度特性非常復雜且常呈現非線性。不若簡易流體，熱塑性材料的黏度性質取決于其化學結構、成分及制造條件。若對一給定化學結構及方程式的熱塑性材料而言，其黏度特性則和溫度、剪應變速率及壓力有較大關系。為了解熱塑性材料的黏度特性，我們需要另外定義剪應力、剪應變速率及黏度之關系。
展開 【iSolver案例分享37】Spudcan的材料性質檢測
【iSolver案例分享37】Spudcan的材料性質檢測
1. 引言：
iSolver為一個完全自主的面向工程應用的通用結構有限元軟件，對標Nastran、Ansys、Abaqus設計和實現，具備結構有限元常用分析類型和單元、材料、載荷等基礎算法組件，精度和Abaqus一致。本文以Spudcan的材料性質檢測為例，演示iSolver的分析流程，并將iSolver和Abaqus計算結果進行對比。
2. 模型背景
該模型為3維模型，為海洋巖土工程中Spudcan的材料性質檢測。Spudcan在海洋巖土工程中的應用廣泛，例如海上鉆井平臺，海上風機等。
Spudcan材料為鋼材，彈性模量為215GPa,泊松比為0.28。其尺寸為海洋巖土工程中的常用尺寸
3. 建模
模型如下：
模型網格劃分C3D8R單元：
材料屬性如下：
邊界條件：底部固定，頂部受荷載
4. 結果對比
1) 應力
a) 視圖1
iSolver結果：
Abaqus結果：
2) 應變
iSolver結果：
Abaqus結果：
3) 位移
a) 視圖1
iSolver結果：
Abaqus結果：
5. 結果對比總表如下
由以上結果云圖分析可知，iSolver和ABAQUS兩個求解器對同一模型分析的結果同一性較好，應力應變的最值發生位置一致，具體數值分析見下表。
展開 不同類型界面材料(ThermaI Interface Materials TIM )的特性與材料性質
其它考慮的因素還有如低揮發性，介電性質，存儲條件，保存期限，罐裝期限，及無毒性等。
熱界面材料的種類很多，每種材料都有不同的特性與優缺點，在選擇時必須先確定材料的使用環境，如溫度工作范圍、晶片最大工作溫度、芯片或元件發熱量、封裝用或散熱用、接觸材料的表面粗糙度、容許的間隙(Gap)、是否需要絕緣等，再根據各種不同的熱界面材料的特性、功能、可靠性、重現性、處理性及存儲性作為衡量。
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展開 Moldex3D模流分析之材料性質與模型
等向性機械性質模型 (Isotropic Mechanical Model)
Moldex3D使用材料的線性彈性性質來計算翹曲的情形，其中所使用的等向性機械性質是楊式模數、波以松比及熱膨脹系數。在Moldex3D的現行版本，這三個參數都被假設為與溫度無關。因此在模擬時建議使用其室溫下的性質。等向性材料的虎克定律以矩陣模型形式可表為：
其中εxx, εyy , εzz , εyz , εzx 及εxy 是應變張量之各分量，σxx , σyy , σzz , σyz , σzx 及 σxy 則是應力張量之各分量，E稱做楊式模數，ν稱作波以松比，熱膨脹系數則用來計算熱應力以及等向性的收縮程度。
非等向性的機械性質模型 (Anisotropic Mechanical Model)
若材料具有非等向性，Moldex3D也能幫助使用者計算非等向性的收縮以及翹曲的程度。非等向性之機械性質來自于：
?分子排向性 (此為眾所周知的流動誘發式之不等向性)
?纖維配向
Moldex3D在計算翹曲程度時所需的非等向材料性質如下：
1. 沿著流動或纖維方向的模數 E1
2. 沿著流動垂直方向的模數E2
3. 剪切模數G12
4. 波以松比值 V12
5. 波以松比值 V23
6. 沿流動或纖維方向之線性熱膨脹系數(CLTE)E1
7. 沿著流動垂直方向的線性熱膨脹系數(CLTE)E2
我們可藉由標準的拉伸測試中獲得沿著流動方向或垂直方向的的楊式模數 E1 及 E2， 如下圖所示，我們也可依此方法求得波以松比。
流動方向/纖維配向及其橫向之定義
剪切模數被定義為剪應力與剪應變之比值。
展開 
Moldex3D模流分析材料性質與模型之結晶動力學模型 (半結晶性材料適用)
通常以結晶度達到最大值一半的時間來定義材料的結晶性。在結晶的最終階段，由于結晶的成長使得非結晶區域越來越小導致結晶速度會開始放緩。典型高分子的結晶過程請參考下圖。
結晶過程 vs.時間
結晶行為一般可以用Avrami模型來描述：
其中 θ(t) 是當時間t的相對結晶度； X(t) 則是當時間t的絕對結晶度；X∞ 是極限結晶度；n為 Avrami指數；k為 Avrami 結晶率常數。
誘發時間ti 則利用實驗模型 (Godovsky 與Slonimsky, 1974)來描述：
ti=tm(Tm─T)-a
其中 tm 為材料常數；T為結晶時間； ti 為溫度 T下的誘發時間；Tm 則是料溫。
開發 Avrami 的理論的Nakamura方程被用在Moldex3D來描述結晶動力，其模型描述為：
其中 K(T) 為非均勻結晶率常數；t1/2 為半結晶時間；T為溫度；R為通用氣體常數；ΔT = Tm - T 為冷卻溫度；f = 2T/( T + Tm)為修正因子；U*為結晶的相變化啟動能量；T∞ 為結晶過程的環境溫度。依照Hoffman等的理論后兩參數的通用值分別為：U* = 6284 J/mol 和T∞=Tg - 30。
參考文獻
[1]Jianxin Guo , Ph. D. Dissertation in Mechanical Engineering, 2000 ,New Jersey Institute of Technology.
[2]Andrea Sorrentino, Ph. D. Dissertation in Chenmical Engineering, University of Salerno.
展開 材料的哪些性質會影響掃描電鏡下的成像效果
材料的物理和化學等諸多性質都會影響掃描電鏡下的成像效果，以下是具體介紹：
一、物理性質
1、導電性
對于導電性良好的材料，如金屬，電子束轟擊材料表面產生的電荷能夠迅速傳導散逸，使電子束穩定地與材料相互作用，從而獲得清晰、穩定的圖像。
而導電性差的材料，如陶瓷、高分子材料等，電子束照射后會在表面積累電荷，產生電荷積累效應，導致圖像出現畸變、模糊，甚至無法正常成像。
2、表面形貌
材料表面如果是平整光滑的，電子束在表面的散射和反射較為規則，二次電子和背散射電子的產生和發射也相對均勻，成像效果清晰，能準確反映材料的微觀結構。
若材料表面粗糙不平，電子束與表面作用情況復雜，不同位置產生的二次電子和背散射電子數量及角度差異大，會形成明暗對比強烈的圖像，雖然能突出表面的起伏特征，但也可能使一些細節難以分辨。
3、磁性
對于非磁性材料，電子束在掃描過程中不會受到磁場干擾，能夠按照預定路徑掃描材料表面，成像正常。
磁性材料內部存在磁場，會使電子束的運動軌跡發生偏轉，導致圖像失真、分辨率下降。
4、密度
密度大的材料，如重金屬材料，對電子的散射能力強，背散射電子產額高，在圖像中顯示為較亮的區域，圖像對比度較高。
密度小的材料，如一些多孔材料或低密度的高分子材料，對電子的散射能力弱，背散射電子產額低，圖像中顯示為較暗的區域，圖像對比度較低，細節可能不易觀察。
二、化學性質
1、元素組成
不同元素對電子的散射能力不同，原子序數大的元素，如金、鉛等，對電子的散射能力強，背散射電子產額高，在圖像中呈現出較亮的襯度。
原子序數小的元素，如碳、氫等，散射能力弱，背散射電子產額低，圖像襯度較暗。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之比熱模型
比熱的定義為將一單位質量的材料升高一度所需的熱量。若忽略材料升溫時可能伴隨著的化學或物理相變，材料的內能因為比熱的關系而與材料溫度有關。
常數模型
此模型將定壓下的比熱假定為一常數，通常是一個良好的近似。
Cp=Cp0
其中Cp代表比熱，而Cp0則代表其初始給定值。Moldex3D/Shell-RIM及Moldex3D/Solid-RIM主要采用此模型。
CAE Cp 模型(1)
比照熱傳導系數，線性內插法也是常用來對比熱與溫度相關性做良好近似法。 Moldex3D 軟件中采用了 CAE Cp 模型(1)。給定熱傳導系數CPL及CPS，在兩個不同的溫度TL及TS 下，我們可得到如下的線性關系式：
CAE Cp 模型(2)
此模型為另一種修正Cp 采三段式線性內插法，目前Moldex3D也有支持，此處Cp 可以用四個不同的值來進行內插近似。一般來說，這四個值的其中兩個CPS1 及 CPS2 取自固態的Cp 值，另外兩個值CPL1 及 CPL則來自液態之Cp 值。
三段式比熱模型之示意圖
If TS1 < T < TS2
If TS2 ≤ T < TL1
If TL1 < T < TL2
多段數據表征模型
此模型可供用戶針對該材料輸入20點不同溫度下的比熱數據，因為此模型可讓用戶彈性的調配以便準確的描述比熱在大范圍溫度區間下的變化。至于在兩給定溫度之區間的比熱，則采用標準之線性內插近似法。
熱容的概略圖如前，以K取代 Cp。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之熱固材料黏度模型(化學流變模型)
熱固材料黏度模型(化學流變模型) (Viscosity Model for Thermosets - (Chemorheology Model))
以下數據僅可使用于Moldex3D-RIM。不使用此模塊的用戶可以跳過此部份。
當鏈結作用發生時，熱固性材料的分子量會越來越大。因此，黏度也會相對的增加。當我們加熱一個熱固性材料時可以觀察到一個典型的U型曲線。剛開始時會因為熱固性材料本身的熱膨脹而使黏度下降，到達低限值之后，黏度會因為分子網狀結構的建立而迅速的劇烈上升。RIM分析主要采用以下的模型：
熱塑性材料的特性
牛頓流體
此模型是假設黏度為一常數，而完全不考慮鏈結作用產生的黏度變化。通常此模型是當用戶需要快速分析網格模型時才建議使用。
Castro Macosko 模型
此模型假設黏度只和溫度及熟化程度兩者有關。
黏度和熟化程度的關系可以用三個參數來描述。與膠化點有關，當反應到達該點時，材料的黏度會劇烈的上升，與溫度的相關性則是呈指數型，但跟剪應變速率無關。
Power-law Castro Macosko 模型
此模型是 Castro Macosko模型的延伸，與有power-law(冪指數)形式剪應變速率的關系。
其中n 是由熟化程度(參數c0~c2)控制的冪指數；a0~a2 是考慮熟化對粘度影響的擬合參數；b0~b2 則是在熟化影響上再加上溫度影響的擬合參數。
展開 4D打印智能材料能隨溫度改變性質形狀
美國羅格斯大學—新不倫瑞克工程師創造了一種柔性輕質材料，經4D打印后的材料可用于飛機和無人機的機翼、柔軟機器人、微型植入式生物醫療裝置等，能更好地實現減震和變形。相關成果發表在最近一期《材料視界》雜志中。
3D打印也被稱為增材制造，可通過逐層打印的方式，將預先構建的數字藍圖轉變為物體。基于這項技術的4D打印有一個很大的不同之處，它使用特殊材料和復雜設計來打印物體，這些物體在環境條件如溫度變化下，會隨之改變形狀。
工程師們創造的這種新“超材料”，經過精心設計，具有自然界中找不到的特性，它們不同尋常甚至違反直覺。以前，超材料的性質和形狀一旦制造出來就不可逆轉，但此次用熱量來調整特性的超材料，能在被擊打時保持剛性，或像海綿一樣變軟以吸收震動。
在室溫73華氏度（約22.8℃）和194華氏度（90℃）之間的溫度區間，剛性調節可以超過100倍，從而很好地控制減震。材料可重新成形，以用于各種目的。它們暫時變形，轉變為任何形狀，然后在加熱時，根據需要回復其原始形狀。
這種神奇的材料，可用于提高飛機或無人機機翼性能，還可用于空間發射的坍塌輕質結構，甚至更大結構的太空板的重建。由這種材料制成的軟機器人像章魚一樣柔韌，可根據環境和當前任務，調整靈活性或剛度。而將其插入微小裝置植入人體進行診斷或治療，可以讓介入裝置暫時變得柔軟和靈活，進入人體進行微創手術并減少疼痛。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之結構黏彈模型(固態)
熱固性的廣義(Generalized) Maxwell模型
使用熱固性材料的情形下，熟化過程的時間-熟化的迭加影響應該被考慮，則可以加入熟化偏移因子 aC 后表示為：
而λi 和 aT 的定義與熱塑材質的相同，熟化偏移因子則用多項式表示為：
其中a0, a1, a2 與a3 皆為不同階的關聯化系數而α 是熟化率。廣義 Maxwell 模型 (3) 和 (4) 的溫度偏移因子 aT 分別與廣義 Maxwell 模型 (1)和(2) 相同，而熟化偏移因子則改以Vogel模型定義為：
其中Tg (α) 利用DeBenedetto公式來描述玻璃轉化溫度Tg 與轉化率(下標 = α = 0~1)。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之PVT模型
熱塑性材料通常會因為壓力及溫度改變而有明顯的體積變化，因此實務上我們必須能表征出該材料之壓力-比容-溫度關系 (PVT)，以便能計算材料在保壓階段時的可壓縮性，并能進一步預估產品于頂出后之收縮與翹曲情形。
比容與壓力溫度的相關性
本質上，不同類型的熱塑性材料在其轉化溫度 (transition temperature) 時，會展現出不一樣的PVT行為，當我們檢視材料之比容-溫度特性圖時，半結晶狀的熱塑性材料會有一個非常明顯且突變的體積變化；然而非晶性熱塑性材料(或俗稱不定型材料)則僅在其特定的體積-溫度曲線上有斜率的改變。下圖可看出這兩種熱塑性材料的差異，其中比容可定義為每單位質量熱塑性材料所占有的體積。
比容與壓力結晶性的相關性
因此，好的PVT模型應該清楚表征比容和溫度及壓力之間的關系，并且明白指出這兩種熱塑性材料的差異。
比容常數模型Constant Specific Volume
比容常數模型是假設比容和溫度壓力無關，即假設為不可壓縮的材料。
Spencer-Gilmore 模型
此模型是由理想氣體定律加上溫度跟壓力對比容的修正項所推導出來的。
Tait 模型
Tait 模型的原始版本，其中有五個參數必須要給定b1, b2, b3, b4 及C。
Tait 修正模型 1
此模型是原始版本的修正版，其中有七個參數須給定。
其中 Tt 是隨壓力變化之材料轉化溫度；由式子可知，較高的壓力下通常其材料轉化溫度也較高。
Tait 修正模型 2
因為前述Tait之第一種修正模型并不能解釋半結晶性材料的于比容-溫度關系中具有之突變特性，所以后進者提出以下之修正模型。
展開 
材料力學中梁涉及到的截面幾何性質及一些力學概念
1. 純彎曲
如果某一段梁的截面上的剪力為零，彎矩為一不為零的常值，該段梁產生的彎曲稱為純彎曲，如下圖簡支梁的兩端受一對力偶矩的作用時，梁的任何一段的內力只有彎矩的作用而沒有剪力，該梁發生的彎曲就是純彎曲。
2. 橫力彎曲
當梁受有垂直與梁軸線的橫力時，該梁的剪力不為零，成為橫力彎曲，例如懸臂梁上作用有集中力或簡支梁受有均布載荷或集中載荷時，等這些都是橫力彎曲的例子，橫力彎曲時梁橫截面上既有彎矩又有剪力。
純彎曲時梁上的最大正應力公式為:
其中Mmax是橫梁上最大彎矩，W為梁截面的抗彎截面系數。當梁的跨度與梁橫截面尺寸比值大于5時，橫力彎曲可以近似用純彎曲時的正應力公式計算。
3. 中性面和中性軸
如圖梁在外力作用下發生彎曲時，橫截面的上部受壓應力，梁的上部發生縮短；梁截面的下部受拉應力，梁的下部發生伸長，可以預見在梁的中間某個平面將既不發生壓縮也不發生拉伸，成為該面為中性面或中性層。將中性面與梁橫截面的交線成為中性軸。
4. 對稱彎曲
在工程中有許多梁至少有一個縱向對稱面，或者說梁截面有一個對稱軸，這種梁稱為對稱截面梁，簡稱為對稱梁。如果外力和外力矩都作用在截面對稱軸與梁軸線組成的對稱面內，梁變形后軸線稱為該對稱面內的平面曲線，這種彎曲稱為對稱彎曲或平面彎曲。
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之熱傳導系數模型
熱傳導系數在充填、保壓、冷卻周期時間的計算、塑件溫度分布等等之冷卻分析過程中扮演了一個非常重要的角色，然而，對熱塑性材料的熱傳導系數而言，它似乎和溫度沒有多大的關系，也與分子量無關；而且不同之熱塑性材料的熱傳導系數也變化不大。熱塑性材料的熱傳導系數跟模具金屬比起來是相對的低；因為低的熱傳導系數可以降低與周圍環境的熱交換，當我們面對高黏度熱塑性材料時，所面臨之的剪切的熱量，造成此種材料在厚度上的溫度分布是相當不平均的 (非等溫)。
常數模型(Thermoset only)
模型最簡單的模型就是常數模型了，其假設熱傳導系數與溫度無關。
K=K0
其中K是熱傳導系數，K0是其特定常數值。目前在Moldex3D/Shell-RIM與Moldex3D/Solid-RIM模型主要采用此種模型。
CAE_K 模型 (1)
模型線性內插法是另一個常用來表征熱傳導系數對溫度的相關性的近似法，因此Moldex3D中也采用了CAE_K模型(1)。給定熱傳導系數 KL 和 KS 在兩個不同的溫度TL 和TS 下，我們可得如下的線性關系式：
線性內插近似的熱傳導系數示意圖
多段數據表征模式
此模式可供用戶針對該材料輸入20點不同溫度下的熱傳導系數的數據，因為此模式可讓用戶彈性的調配以便準確的描述熱傳導系數在大范圍溫度區間下的變化。至于在兩給定溫度之區間的熱傳導系數，則采用標準之線性內插近似的熱傳導系數。
在多個數據以內插法取得熱傳導系數的示意圖
展開 Moldex3D模流分析之不同材料的不同性質針對消費性產品
多材質射出成型產品
不同材料有不同的熱性質，因此熱傳遞和材料兼容性是多材質射出成型產品（如：剪刀和牙刷把手）中的重要議題。如何在多種日新月異的材質應用下，控制翹曲量以維持產品尺寸穩定性，是多材質射出成型產品的一大挑戰
采用Moldex3D Flow/ Pack/ Cool/ Warp/ MCM 來分析收縮和翹曲的成因，提供用戶零件、模具設計和制程優化的深入見解。
個人護理產品包裝
? 當業者想盡辦法縮短量產產品包裝耗費的時間，卻常因冷卻時間不足，讓翹曲成為一大問題
? 除了尺寸穩定性之外，能源和原料成本同樣在產品決策中扮演相當重要的角色
采用Moldex3D Flow/Pack/Cool/Warp 來分析收縮和翹曲的成因，深入了解模具和產品設計制程，一次完成產品優化
玩具
? LEGO 類的玩具是需要高精準尺寸的產品，因此增添模具設計的困難度，很難單憑經驗完成產品開發
? 此類制程產品的機械強度和耐久性也備受考驗
采用Moldex3D Flow/Pack/Cool/Warp 來分析翹曲的成因，進一步完成產品優化
展開 Moldex3D模流分析材料性質與模型之黏彈模型 (僅適用于熱塑性材質)
?指數 PTT 模型 (Exponential PTT Model)
此模型是線性PTT (linear PTT) 模型的一個變體，其描述流變性質的非線性剪應力項表示如下：.
其余公式與所有的參數定義均和線性PTT模型相同。
?Modified Extended Pom-Pom 模型 (Modified Extended Pom-Pom Model)
此模型用非線性的應力項復合模型(Multi-mode)來描述流變性質，如下：
?Larson模型 (Larson Model)
此模型用非線性的應力項復合模型(Multi-mode)來描述流變性質，如下：
如何選擇黏彈模型(Choosing the viscoelastic model)
White-metzner由于其指定材料信息上的簡易性而較為推薦，故moldex3d也將white-metzner模型用作默認選擇。當需要更多的黏彈性質控制來得到更準確的結果時，流變性質的實驗信息需要被進一步轉化為黏彈模型(例如，white-metzner模型(modified))的參數。由于不同的模型各自有不同的理論基礎，相對來說giesekus模型和ptt模型的分析結果可以找到更多的研究材料做對照。
?復合模型(Multi-mode)
復合顧名思義是將單一的模型用迭加方式結合起來，這使得松弛時間和黏度信息有更大的適用范圍。不同松弛時間的模型可以讓各個主要反應在各自不同的頻率下表現出來，而Moldex3D支持多個模型的迭加。
復合模型的示意圖
展開 