高應變率動態力學測試
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-01
高應變率動態力學測試的視頻教程
如何準確獲取高應變速率拉伸性能的應力應變曲線
高速拉伸測試與準靜態拉伸的區別呢？ 準靜態拉伸測試一般以較低的應變率進行（一般實驗室使用萬能試驗機進行），常用于測量材料的靜態力學性能，如拉伸強度、屈服強度等。而高速拉伸測試則以較高的應變率進行，更符合實際工程情況下的瞬態負載。 應力應變曲線（圖片來源：網絡） 高速拉伸測試中的應變率往往更高，可以通過較短的時間內施加更大的應變。
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點蝕連桿動—靜力學拉伸教程及應力應變曲線輸出
背景介紹 拉伸試驗作為最基本的力學測試之一，在理想條件下對試樣的受力已經有了較為成熟的分析，通過拉伸（壓縮）對試樣的強度、屈服、延展率以及失效形式等指標進行獲取。然而在進行拉伸測試中，由于試樣的幾何特征眾多，試樣中也會有很多不確定缺陷的存在，導致單純的通過實驗測試無法滿足試驗參數的獲取，與此同時也會造成時間與資源的浪費。
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革新汽車仿真：探索?VI-grade 2025.1主要軟件發布的強大潛力
4.VI-NVHSim 2025.1：VI-WorldSim的虛擬現實支持、大型項目的性能增強、新的錄音管理功能，以及COMPACT NVH模擬器的座椅傳遞率分析。 適用人群： 從事整車性能開發、車輛動力學、底盤電子、ADAS系統開發與測試、注重用戶感受的工程師和行業研究人員。
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高應變率動態力學測試的實例教程
在汽車進行結構設計、選材過程中，需要對汽車碰撞過程進行模擬，而車用材料在不同應變速率下的應力－應變曲線是汽車碰撞模擬成功的關鍵。材料在高應變速率下的應力－應變曲線常由高速拉伸試驗機測得，而目前高速拉伸測試面臨很多問題，如載荷震蕩嚴重、慣性力影響、系統阻尼比(ζ)較小等。這些因素都嚴重影響高速拉伸測試的準確性。而解決這些問題的方法之一是選擇合適類型的樣條。目前國際上關于高速拉伸測試的樣條的類型并沒有統一，也沒有相關資料進行研究。現選取3種不同類型的樣條，研究樣條的類型對汽車用PP在不同應變速率下測試結果的影響。
試驗部分
Experimental part
1.1 試驗設備參數與樣條類型
國高材分析測試中心高應變率測試系統
設備參數： 拉伸速度 0.01~12. 00m/s , 最大 載荷 25 kN , 可測試溫度-40~150℃ 。
應變測量方式：橫梁位移或非接觸式引伸計。
樣條類型： GB1040—20061A 樣條、 1BA 樣 條 、 S3A樣條 。
1.2 不同應變速率下的應力－應變測試
通常材料在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1下的應力－應變曲線是計算機輔助工程(CAE)模擬分析所必需的。然而制備成不同類型樣條的材料在不同應變速率下反應的力學行為是不同的。針對這種情況，選取1BA，1A，S3A樣條進行在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1的應變速率進行試驗，研究不同樣條類型PP樣條在不同應變速率下動態力學行為。測試曲線如圖1~3所示。
展開 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。
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?【2025年二等獎】錢敬業 | 同濟大學，強動載作用下拱壩動態響應和損傷破壞的數值模擬研究：研究基于LS-DYNA軟件建立了某原型拱壩的精細化三維數值模型，旨在研究其在水下爆炸強動載作用下的動態響應與損傷破壞機理。
3.有量化結果。例如性能提升、成本下降、效率優化等具體數據。
· 豐富的后處理工具，支持動畫演示、曲線對比、報告自動生成，直觀呈現仿真結果；全球技術支持社區與行業案例庫，解決復雜工程問題效率高。
三、行業前景
1. 市場規模持續高增長
· 全球：2025 年多體動力學軟件市場規模約3.59 億美元，2032 年預計突破6 億美元，年復合增長率（CAGR）超7%。
流體力學仿真（CFD）僅能計算風力載荷，但要評估結構在這些時變載荷下的動態響應（應力、變形、穩定性、振動頻率），則需要在CFD基礎上耦合結構力學分析模塊（如FEA有限元分析），這種多物理場仿真技術稱之為流-固耦合仿真（FSI）。
流-固耦合仿真（FSI）：計算流體域的流場壓力實時作用于固體結構網格上，結構的變形或振動也反過來影響流體邊界的形狀及流動狀況。
傳統的彈塑性模型無法準確模擬這種“又快、又熱、變形又大”的極端物理過程，而 JC 模型正是為了破解這些高能耗、高破壞性的力學難題而誕生的。
該模型的核心思想是將復雜的金屬材料行為進行“解耦”，認為材料的強度主要受到三個獨立因素的疊加影響：應變硬化、應變率（變形速度）強化和熱軟化。
結合作者的理論（尤其是分段線性化和應力驅動的求解思路）我們可以把獨立的vpsc子程序編寫進abaqus里面，為了避免復雜的雅可比推導，以及適用各種復雜的變形工況，推薦使用abaqus的顯式求解器，即vumat程序
以下展示一個使用vpsc-鎂合金本構模型，模擬包含1個單元，單元包好100個晶粒在RD方向壓縮20%的模擬效果（原始模型參數取自vpsc官方案例,為了減少計算時間使用高應變率進行計算，
結果表明，在 25–232 ℃ 范圍內，模型能夠較好描述溫度升高導致的流動應力降低和硬化行為變化；在 260 ℃ 時，模型在較小應變范圍內仍能較好預測，但高應變階段會出現偏差，這可能與動態回復、動態再結晶等高溫變形機制有關，而這些機制并未被該模型顯式考慮。
為了驗證模型的可遷移性，作者進一步進行了不同溫度下的簡單剪切模擬。
這意味著，在后續的三維液冷流道設計與流體力學模流仿真中，電池系統工程師可以完全沿用傳統牛頓流體的方程體系，極大降低了設計復雜度。
▲ 圖8 在25°C下不同體積分數納米流體的粘度與剪切速率的關系：（a）氧化銅與（b）氧化鋁
圖8揭示了流體表觀粘度的演化規律。在高剪切率階段，所有流體的粘度均迅速收斂至穩定平臺值。CuO流體展現出的最大粘度增幅（純液與0.15%對比）僅為5.34%。
但在薄膜吹塑和流延成型加工后，發現兩者的薄膜力學性能差異較大，導致生產良率波動，部分抗穿刺包裝袋產品不達標。
2.1 基礎物性參數對比
為確認材料的基礎參數，國高材分析測試中心對其進行了全面的基礎熱學、流變學與分子量表征。通過120 ℃高溫環境下的核磁共振測試確認兩者均為乙烯與1-己烯的共聚物。標準密度測試、熔體流動速率測試、DSC熔融行為測試及HT-GPC分子量測試數據見表1。
材料卡片定制
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.最終交付材料樣件試驗數據結果及仿真軟件材料卡片。
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