ABAQUS泡沫材料的案例
Abaqus兩種泡沫材料在計算機仿真中的應(yīng)用比較
來源：聯(lián)想（北京）有限公司 作者：張成
關(guān)鍵字：泡沫材料 發(fā)泡聚乙烯 Abaqus
仿真的準確性，很大程度上取決于材料屬性的準確性以及用何種方式添加材料屬性。在abaqus中有幾種材料屬性可以用來定義泡沫材料，本文的內(nèi)容就是比較其中兩種定義方式在計算機包裝中的應(yīng)用和不同。
1.概述
消費和商用級別的計算機的結(jié)構(gòu)所承擔的風險主要來自于計算機在生產(chǎn)完成到用戶開機使用的中間過程中，也就是通常所說的運輸、存儲過程。在這個過程中，搬運人員的拋擲、摔放、人為失誤造成的整機跌落、以及運輸過程中的顛簸都是對計算機結(jié)構(gòu)強度的考驗。因此，泡沫緩沖材料對計算機的結(jié)構(gòu)來說就顯得十分重要。
在計算機的研發(fā)過程中，包裝的設(shè)計需要參考整機沖擊和跌落的仿真結(jié)果來優(yōu)化改進。因此，仿真的準確與否就直接決定了包裝設(shè)計的可靠性。而仿真的準確性，在除去網(wǎng)格劃分、邊界條件施加等仿真工程師的主觀因素之外，最終要的是取決于材料屬性的準確性以及用何種方式添加材料屬性。
2.發(fā)泡聚乙烯材料
發(fā)泡聚乙烯材料，即EPE材料，也被稱作珍珠棉，它由低密度聚乙烯脂經(jīng)物理發(fā)泡產(chǎn)生無數(shù)的獨立氣泡構(gòu)成。克服了普通發(fā)泡膠易碎、變形、恢復(fù)性差的缺點。具有隔水防潮、防震、隔音、保溫、可塑性能佳、韌性強、循環(huán)再造、環(huán)保、抗撞力強等諸多優(yōu)點。消費和商用級別的計算機通常使用這種材料作為主要的包裝填充材料。
2.1 發(fā)泡聚乙烯的材料特點
EPE材料屬性有別于常規(guī)的彈塑性材料，甚至有別于超彈性材料和同樣是蜂窩結(jié)構(gòu)的其他金屬蜂窩材料。
展開 ABAQUS基于隨機Voronoi骨架的三維多孔材料泡沫鋁骨小梁模型
基于Voronoi圖的方法通過調(diào)整生成點的位置和密度，控制多孔結(jié)構(gòu)的孔隙大小和分布，可用于模擬自然界中的多孔介質(zhì)，如泡沫金屬、骨小梁等。本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立三維多孔材料。
首先采用CAD Voronoi 3D插件建立圓柱體試件晶粒模型。
刪掉晶界后，將晶粒進行平滑處理。
新建一個圓柱體，并利用差集建立多孔結(jié)構(gòu)幾何模型。將模型導(dǎo)出為iges格式文件。
在ABAQUS內(nèi)將模型以部件的形式導(dǎo)入。
可對模型設(shè)置材料。
設(shè)置載荷及邊界條件。
劃分網(wǎng)格。
ABAQUS泡沫金屬泡沫鋁泡沫鎳多孔結(jié)構(gòu)
泡沫金屬，又稱為多孔金屬，常見的類型有泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫鈦等，是一種具有三維連通孔隙結(jié)構(gòu)的新型工程材料。它結(jié)合了金屬和泡沫材料的優(yōu)點，擁有獨特的物理、力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立具備連通孔隙結(jié)構(gòu)的三維泡沫金屬結(jié)構(gòu)模型。
泡沫金屬通過CAD球體密堆積3D插件V2.0版本建立，其中的球體最小間距參數(shù)應(yīng)設(shè)置為負數(shù)，以確保生成的模型中的孔隙具備連通性。
為達到泡沫金屬孔隙穿過邊界的效果，需要截取模型的內(nèi)部區(qū)域。刪除所有紅色球體，在模型內(nèi)部新建一個長方體部件，并用交集建立新模型。
將模型導(dǎo)出為sat文件，即可導(dǎo)入ABAQUS內(nèi)建立連通孔隙的泡沫金屬部件。
可對金屬泡沫模型劃分網(wǎng)格及進行后續(xù)模擬。
展開 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)常用PVC多孔泡沫材料參數(shù)
復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)常用PVC多孔泡沫材料參數(shù).pdf
LS-DYNA中的金屬泡沫材料
本人目前的主要工作即為基于CT的細觀泡沫模型。
如下圖為目前典型金屬泡沫模型，具體內(nèi)容請查閱相關(guān)綜述。
三、LS-DYNA中的*MAT_CRUSHABLE_FOAM模型
*MAT_CRUSHABLE_FOAM可壓潰泡沫模型一般可用于模擬金屬泡沫材料，還可以用于輕質(zhì)軟木等類似材料。需要輸入的參數(shù)如下：
MID ---- 材料ID
RO ---- 密度
E ---- 彈性模量
PR ---- 泊松比
LCID ---- 應(yīng)力應(yīng)變曲線
TSC ---- 拉伸截止應(yīng)力，需為正的非零值
DAMP ---- 阻尼系數(shù)，控制應(yīng)變率敏感性（.05<建議值<.50）
注1：泡沫材料的泊松比可以設(shè)為0。
注2：由于泡沫材料非常軟，極易產(chǎn)生負體積等錯誤，因此可以適當調(diào)整應(yīng)力應(yīng)變曲線，使其在密實階段密實地更快更硬一點。
展開 電視機跌落（包裝緩沖泡沫材料） ￥10
跌落動畫：
源模型：
完整包裝后模型：
泡沫材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線：
comsol三維多孔結(jié)構(gòu) 泡沫材料 孔隙介質(zhì)模型
孔隙結(jié)構(gòu)
在comsol內(nèi)生成球體或立方體結(jié)構(gòu)的多孔材料結(jié)構(gòu)：
comsol泡沫結(jié)構(gòu)，泡沫球體顆粒占比80%：
建模方法
采用陣列式隨機分布，生成符合規(guī)定比例的隨機孔洞。模型采用CAD隨機孔隙3D插件生成，然后將多孔結(jié)構(gòu)3D模型導(dǎo)入到comsol軟件內(nèi)。
插件鏈接
https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1890691
LS-DYNA中的金屬泡沫材料 附LS-DYNA中文教程下載
一、金屬泡沫材料簡介
目前常用金屬泡沫材料主要為泡沫鋁，國內(nèi)的主流商業(yè)制備方法為發(fā)泡法，即在鋁或鋁合金基體中增加發(fā)泡劑，通過控制壓力來完成發(fā)泡。本文即以泡沫鋁為例進行討論。
泡沫鋁的力學(xué)性能受基體材料力學(xué)性能和細觀拓撲結(jié)構(gòu)兩方面的影響，因此不同廠家生產(chǎn)的泡沫鋁即使相對密度相近，力學(xué)性能也各不相同。可以通過單軸壓縮實驗獲取特定泡沫鋁的宏觀力學(xué)性能。
下圖為典型的泡沫鋁壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中主要分為彈性段，平臺段和密實段。長長的平臺段是這種材料的特點，也是其吸能的主要階段。
此外，彈性段只是近似彈性段，同時其斜率一般小于真實的泡沫鋁彈性模量。要獲得泡沫鋁的彈性模量，需在泡沫鋁壓縮應(yīng)變在5%之內(nèi)時進行卸載，卸載曲線的斜率即為彈性模量，如下圖所示。
泡沫鋁的平臺應(yīng)力和密實應(yīng)變的近似值可以通過應(yīng)力應(yīng)變曲線讀出來，也可以通過多軸實驗測得，也可以使用如下經(jīng)驗公式：
其中，sigma（pl）為平臺應(yīng)力；sigma（y，s）為基體屈服強度；rho為泡沫鋁密度；rho（s）為基體密度；m為系數(shù)，一般為1.5-2.0；epsilon（D）為密實應(yīng)變；alpha為系數(shù)，一般為1.4-2.0。
二、有限元中的金屬泡沫模型
在有限元數(shù)值模擬中，最早出現(xiàn)的金屬泡沫模型為宏觀等效模型，即假設(shè)泡沫為各向同性均勻材料，通過賦予其泡沫鋁宏觀力學(xué)性能來對其進行模擬。目前LS-DYNA中的所有泡沫模型均為宏觀等效模型。
除了宏觀等效模型之外，還有細觀泡沫模型。此類模型中的泡沫胞孔由規(guī)則化幾何體或不規(guī)則幾何體表征，只需要輸入基體材料的力學(xué)參數(shù)，就可以描述細觀結(jié)構(gòu)的變形行為，主要有kelvin模型，Voronoi模型，CT掃描模型等。
展開 基于MAT_083材料卡片的汽車座椅泡沫特性參數(shù)擬合實驗與對標分析
汽車座椅的舒適性很大程度上取決于座椅泡沫材料。泡沫材料憑借其獨特的物理特性，在座椅的座墊、靠背等部位廣泛應(yīng)用。泡沫材料具有粘彈性，具備比較好的滯后損失，較高的壓縮比，能夠在震動時吸收能量，起到減震的作用，并且其成形性、彈性都較好。
圖1：汽車座椅結(jié)構(gòu)圖
在正常行駛時，泡沫材料能夠均勻分布乘客的體重，減少振動和沖擊，提供舒適的乘坐體驗。這種特性使得乘客在長時間乘坐過程中也能保持舒適，減少疲勞感。此外，泡沫材料的高能量吸收能力在車輛碰撞等極端情況下尤為重要。它可以通過吸收和分散沖擊力，有效降低乘客所受的沖擊力，減少受傷風險。因此，準確地對泡沫材料進行建模和仿真分析，對于優(yōu)化汽車座椅設(shè)計、提升車輛整體安全性具有重要意義。
MAT_083
適用于泡沫的材料模型
為了準確模擬泡沫材料在碰撞中的行為，工程師們需要依賴材料卡片（Material Card）來描述其力學(xué)特性。而在眾多材料模型中，**MAT_FU_CHANG_FOAM（MAT_083）**因其簡單易用且適用于泡沫材料的特性，成為了工程師們的首選。
MAT_083材料模型是一種一維材料定律，基于零泊松比的假設(shè)。它基于Fu Chang（1995）提出的泡沫材料統(tǒng)一本構(gòu)方程。可以在低和中密度泡沫中模擬速率效應(yīng)。MAT_083的主要優(yōu)點是用戶可以直接輸入單軸壓縮的實驗結(jié)果。如果有的話，還可以直接輸入拉伸和靜水壓實驗結(jié)果。MAT_083廣泛用于可逆泡沫的建模，主要原因可能是無需定義復(fù)雜的材料參數(shù)。
0
1
EPP泡沫的材料卡片
為了更好地利用 MAT_083 對泡沫材料進行建模，眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。
展開 金屬頂刊《Acta Materialia》原位觀察泡沫金屬氣泡的形核和生長過程！（材料學(xué)網(wǎng)）
來源：材料學(xué)網(wǎng)
摘 要
泡沫金屬的萌生和生長是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，本質(zhì)上具有三維和時間依賴性。斷層掃描-或時間分辨斷層掃描-允許我們跟蹤氣體氣泡的成核和生長AlSi8Mg4合金實時發(fā)泡。單個氣泡的位置、大小和形狀以1秒的步長確定，空間分辨率為幾米。同時，由Al-Mg相和TiH2粒子，在一系列的3D圖像中被識別。自動定量圖像分析泡沫和產(chǎn)生的階段包括他們的空間相關(guān)性允許我們發(fā)泡過程分解成兩個不同的步驟，第一個同質(zhì)由吸附氣體和第一個融化顯微結(jié)構(gòu)的組件和第二個歸因于合金的熔化和隨后的泡沫增長由氫釋放TiH2粒子。研究結(jié)果證實了通過調(diào)整Al-Mg成分粉的性能，可以改善標準AlSi8Mg4泡沫塑料的性能，對泡沫鋁的后期結(jié)構(gòu)有重要影響。
關(guān)鍵詞
泡沫鋁，氣泡形核和生長，多孔材料
泡沫鋁是一種受自然啟發(fā)的多孔材料，由分散在固體金屬基質(zhì)中的氣相組成，由于其獨特的性能，
近100年來一直是研究的主題。其目標是將其應(yīng)用于輕型建筑等領(lǐng)域。
盡管進行了深入的研究，但一些機理，如氣體成核、膜穩(wěn)定性、排水和粗化還沒有完全理解。
由于高制造成本和優(yōu)化結(jié)構(gòu)和性能再現(xiàn)性的需要，還沒有實現(xiàn)商業(yè)突破，這使得金屬泡沫成為特殊應(yīng)用的利基產(chǎn)品。
展開 空中爆載荷作用下復(fù)合材料泡沫夾芯板結(jié)構(gòu)抗爆性能分析
空中爆炸載荷特點：
CONWEP算法模擬爆炸載荷作用時考慮了入射壓力和反射壓力的影響，通過炸點與目標作用面間的相對位置、入射角度計算作用在結(jié)構(gòu)上的爆炸載荷值，其將爆炸載荷定義為：
2.2 有限元模型
物理模型：
有限元模型：
(1)模型尺寸描述：
長：0.5m,寬：0.5m,面板厚度：2mm,芯層厚度：50mm
網(wǎng)格尺寸：5mm
網(wǎng)格單元數(shù)：12萬
(2)下面板（迎爆面）：Q235鋼
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
(3)下面板（背爆面）：Q235鋼
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
(4)夾芯層：泡沫鋁的性能與金屬基體材料的性能密切相關(guān)，本文數(shù)值模擬中泡沫鋁基體材料均采用常見的ZL101A鋁合金。由于該合金中存在大量Al-Si共晶體而具有很好的流動性和鑄造性能，因此適合制備泡沫鋁。泡沫鋁基體材料的本構(gòu)選擇理想彈塑性模型， Cowper -Symonds模型來描述基體材料的應(yīng)變率效應(yīng)，表達式為：
鋁合金密度ρ=2.68g/cm3，彈性模量E=70Gpa，泊松比ν=0.33，靜態(tài)屈服應(yīng)力=160MPa，應(yīng)變率相關(guān)參數(shù)取C=6500/s，P=4，其動態(tài)屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率變化的關(guān)系見圖，不考慮材料的失效問題。
展開 
力學(xué)所發(fā)現(xiàn)三維石墨烯泡沫材料中的電導(dǎo)率極大現(xiàn)象
在傳統(tǒng)泡沫材料中，電學(xué)性能通常不是最關(guān)鍵的性能。但是，三維石墨烯泡沫材料則截然不同，電學(xué)性能對于該材料在功能器件方面的應(yīng)用尤為重要。事實上，合成三維石墨烯泡沫材料的一個重要目的就是為了繼承單層石墨烯卓越的電學(xué)性能。盡管實驗上一直嘗試研究甚至改進石墨烯泡沫材料的電學(xué)性能，但理論研究的缺乏制約了該方向的進一步發(fā)展。這一尷尬局面主要源于石墨烯泡沫材料的復(fù)雜性，如石墨烯薄片的多重自由度（層數(shù)、尺寸）以及該問題的多尺度特性（涉及到電子德布羅意波長、石墨烯薄片尺度、石墨烯薄片相互接觸的特征尺度）。
近期，中國科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員劉峰與王超合作提出了一種理論框架，系統(tǒng)研究了三維石墨烯泡沫的導(dǎo)電性能，并在該體系中發(fā)現(xiàn)了電導(dǎo)率極大現(xiàn)象。在該理論框架中，導(dǎo)電過程被分為兩個等級。第一級，即最底層，利用介觀輸運理論結(jié)合緊束縛模型研究石墨烯薄片間的電導(dǎo)。第二級，通過分子動力學(xué)模擬研究三維石墨烯泡沫材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并提取平均接觸面積、平均接觸點密度等幾何特征。結(jié)合這兩方面信息即可理論計算石墨烯泡沫材料的電導(dǎo)及電導(dǎo)率。該研究發(fā)現(xiàn)石墨烯泡沫材料存在電導(dǎo)率極大現(xiàn)象（即隨石墨烯薄片層數(shù)的增加，電導(dǎo)率先增大后減小），并進一步揭示了該現(xiàn)象的物理機制。
眾所周知，在傳統(tǒng)泡沫材料中，存在一個優(yōu)化泡沫密度使熱絕緣能力達到最強，這源于固體中熱傳導(dǎo)與熱輻射之間的競爭。而該研究首次在理論上提出存在一個優(yōu)化層數(shù)使三維石墨烯泡沫材料電導(dǎo)率達到最大，并對其物理機制進行了系統(tǒng)研究。該工作為優(yōu)化三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能提供了理論基礎(chǔ)，并將促進該材料在功能器件方面的應(yīng)用。
進一步，該研究還分析了變形下三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能。在循環(huán)加載下，電阻的變化逐漸趨于穩(wěn)定，同時伴隨有滯回環(huán)的出現(xiàn)，這與實驗觀測定性一致。
展開 黃維院士、安眾福教授團隊與合作者JACS：具有高力學(xué)強度的超長磷光泡沫材料
目前，超長有機磷光材料主要是基于有機小分子晶體、剛性的主客體摻雜材料以及聚合物材料體系。然而，這些結(jié)晶性材料脆性以及弱的加工性能極大地限制了超長有機磷光材料的實際應(yīng)用。為了克服該類材料的脆性并提高其力學(xué)強度，受高力學(xué)強度生物材料（如骨頭、木頭，等等）啟發(fā)，南京工業(yè)大學(xué)黃維院士、安眾福教授與日本理化學(xué)研究所Takuzo Aida教授、Yasuhiro Ishida教授合作，報道了一系列具有高力學(xué)強度的超長磷光泡沫，該泡沫的磷光壽命可達到485.8 ms。值得注意的是，質(zhì)輕的泡沫材料能夠承受4.44 MPa的壓縮強度。此外，泡沫的磷光發(fā)光顏色可以通過改變激發(fā)波長從藍色調(diào)控橙色。實驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果證實，超長磷光原子多重氫鍵穩(wěn)定的羰基團簇結(jié)構(gòu)。這些實驗結(jié)果不僅拓寬了發(fā)光泡沫的范圍，還為開發(fā)具有高力學(xué)強度的超長有機磷光材料奠定基礎(chǔ)。
圖1. (a) 骨骼和木材及其微觀結(jié)構(gòu)的示意圖。(b) 仿生聚合物泡沫。照片中，葉子上面是質(zhì)輕、超硬且具有長磷光壽命的明膠泡沫。
圖2. 明膠泡沫的制備和微觀結(jié)構(gòu)表征。(a) 水凝膠在253 K冰箱中冷凍的示意圖，值得注意的是冰晶各向同性生長。插圖是制備得到的明膠泡沫 (0.15 g mL-1)從正視和俯視照片。(b) 各向同性明膠泡沫(0.15 g mL-1)在低倍和高倍數(shù)放大鏡下的SEM橫截面圖。(c) 液氮冷凍水凝膠的示意圖，值得注意的是冰晶各向異性生長。插圖是制備得到的明膠泡沫(0.03 g mL-1)從正視和俯視照片。(d) 各向異性明膠泡沫(0.03 g mL-1)在低倍和高倍數(shù)放大鏡下的SEM橫截面圖。
圖3. 各向同性明膠泡沫的光物理特性和壓縮性能。
展開 ABAQUS多孔泡沫模型建立 ￥20
50%.png
circle.png
foma.png
foma_z.png
foma_x.png
ABAQUS中高彈泡沫模型
有大佬知道這個材料的參數(shù)是什么意思嗎
