超材料建模的案例
超詳細的Abaqus復合材料基礎建模步驟
復材基礎建模分類
在開始之前，先歸納總結一下Abaqus中復合材料結構的兩類主要的建模方法，第一類就是本文后面要詳細展開講述的最基本的Abaqus復合材料建模方法，之前曾將其定義為“傳統建模”（達索官方教程稱這類建模叫Macro建模方法，為了便于跟composite layup快速建模區分開，自己就習慣叫“傳統建模”或“經典建模”了，沒想到后來被Victor經典案例分享公眾號直接抄襲了）。這種方法是早期有限元軟件常用的建模方法，延續了各向同性材料的建模思路，不同的區域創建并賦予不同的截面屬性，類似Nastran，hyperworks都是這種建模思路。后來Abaqus又增加了Composite layup建模方法，效率比較高，并且這種建模思路呢，就有點跟CAD復材制圖的思路很像了，比如CATIA 的CPD模塊，創建一個鋪層序列，然后單獨去指定每一個鋪層所占據的位置，相當便捷。
為了有便捷建模方法卻還要將經典的建模方法呢？因為在自己開發子程序的時候，比如UMAT或者VUMAT子程序，只能采用經典建模方法，另外，還有顯式分析中，當使用三維材料模型時，也只能使用這種建模方法。
一般對于大尺寸復合材料結構，跨厚度比例大，滿足板殼理論的假設，采用殼單元就能獲得高的求解精度。殼單元計算效率高，結合二維損傷起始判據判據（Hashin, Tsai-Wu, Maxe, Maxs等）以及損傷演化準則還可以預測結構的危險區域、危險程度、破壞模式及破壞載荷等。
本文講述Abaqus中如何創建普通殼單元的復合材料開孔板結構有限元模型，模型中僅考慮對結構變形、應變、應力的求解，不涉及損傷起始及損傷演化部分。
以下為復合材料開孔板殼單元模型的建模步驟。
展開 基于ABAQUS超彈性材料橡膠襯套的剛度計算 附基于Abaqus的橡膠和粘彈性建模下載
圖10、動態加載曲線、結果可視化云圖與遲滯曲線
下載地址：基于Abaqus的橡膠和粘彈性建模
一種具有自修復功能的兩棲超親水、超親油表面材料
超親水、超親油（即“超雙親”）表面具有自清潔、防污、抗霧、使液體迅速鋪展等功能，在日常生活、醫療、工業生產等方面有著廣泛的應用。然而，目前報道的超雙親表面只能在單一介質環境下工作。例如，在干態空氣環境中具有超雙親性質的表面材料在水中往往會表現出超疏油性質，而不是親油性。因為這些材料一旦被水潤濕，其性能主要取決于附著在表面的液態水層。相反，在水中具有親油性質的表面在干燥狀態和空氣介質中通常表現為超疏水和超親油。在空氣和水介質中均具有超雙親（即“兩棲” 超雙親）性質的表面材料報道很少，其制備一直是個挑戰性難題。
最近，澳大利亞迪肯大學（Deakin University）林童教授團隊報道了一種簡單有效的表面處理方法，可使紡織品材料表面具有穩定的“兩棲” 超雙親性質。該團隊采用一種表面涂層技術，將兩種分別帶有親水和親油官能團的化合物涂布于紡織品材料的表面，并進行交聯處理。經過處理的紡織品面料在空氣中表現為優秀的超雙親性質，對水、油和多種有機溶劑的觸角為0°。在水中或完全被水潤濕的條件下，該面料仍然可以使油和不溶性有機溶劑在表面迅速鋪展。該涂層不僅具有良好的牢度，而且可抵御酸堿侵蝕和長時間紫外照射。不僅如此，該涂層還表現出了自修復功能，在被化學侵蝕破壞后，其水下超親油性能可以通過加熱恢復到原的有功能狀態。該團隊進一步證明，這種兩棲超雙親材料在油水分離方面有很大的應用潛力。無論織物在干燥還是潤濕狀態，都表現出了穩定的吸油能力。
圖1：“兩棲”超雙親表面的處理過程及效果。
詳細結果已發表在近期的《Materials Horizons》（DOI: 10.1039/C8MH00898A）。文章共同第一作者為博士生符思達和周華博士，通訊作者為王紅霞博士和林童教授。
來源：高分子科學前沿
展開 “硅”助力超疏水 一文帶你了解超疏水材料的技術
超疏水性是一種特殊的潤濕性，一般指水滴在固體表面呈球狀，接觸角大于150度，滾動角小于10度。材料表面能（材料表面分子比內部分子多出的能量）越低，疏水性越好，且當低表面能材料具有微觀粗糙結構時，水滴與材料之間會形成一層空氣膜，阻礙水對材料表面的潤濕，從而形成超疏水狀態。
超疏水表面最初的靈感來源于“荷葉效應”。20 世紀90 年代，德國植物學家波恩大學Barthlott等揭示了荷葉表面的結構，發現荷葉的“自潔性”源于其表面的微納結構，荷葉表面具有微米級的乳突，乳突上有納米級的蠟晶物質，這種微-納米級的粗糙結構可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導致水滴極易滾落。
因為水滴在超疏水材料表面滾落時可帶走污染物，使材料表面保持清潔。因此超疏水材料具有防水、防腐蝕、防冰以及防附著等多重特性。
荷葉表面除具有超疏水特性——“荷葉效應”之外，還呈現荷葉表面超疏水、底面親水的（Janus）潤濕性特性。模擬荷葉表面這種特性進行具有顯著潤濕性差異Janus膜表面構筑，目前研究開展的還相對較少。
近日，一個土耳其-德國聯合研究團隊以濾紙為多孔基底，通過單面修飾聚二甲硅氧烷（PDMS）/無機微納顆粒（粒徑范圍從數納米到數十微米），簡便構筑了具有超疏水/親水顯著潤濕性差異的Janus紙。這種紙具有優異的化學穩定性、機械穩定性和柔韌性，同時保持良好的透氣性，在傷口處理等方面具有較大的應用前景。
Janus紙構筑過程示意圖
研究人員選用Whatman No. 1濾紙和實驗室工程棉濾紙為基底材料，PDMS、硅納米顆粒以及玻璃微球混合均勻后采用噴涂技術涂覆到基底表面，經過120 ℃加熱交聯處理后PDMS共價接枝到濾紙表面。該側濾紙表面呈現出超疏水特性（CA~163.1 ± 1.2°）。同時，研究表明混入摻雜三種不同尺寸的無機顆粒（20?
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超表面空間板的建模
建模任務
在許多現代光學應用中，實現最大可能的緊湊性是最受追捧的優化目標之一。造成這種情況的原因有很多：便攜式設備的光學元件安裝空間較小，而較小的系統往往具有較低的重量和材料成本。最近在這一領域提出的一種巧妙的策略是“空間板”：超表面允許在自由空間中模擬比空間板的實際厚度長得多的傳播。例如，這樣的元件可以縮短聚焦透鏡后的距離同時實現聚焦(不改變NA)。在這個例子中，我們展示了由Orad Reshef等人提出的多層超材料的空間板的特性，并研究了其在光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion中的行為。
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模型了解：
本案例所用模型如下：
圖1 模型認識
其中，1為壓塊，結構剛材料，2為橡膠超彈性材料。
有限元分析流程分為3大步、3小步，如下圖所示。
今天將以這種方式介紹使用workbench實現齒輪嚙合的分析流程。
一、前處理
1.1 幾何模型的構建
本案例中的幾何模型較為簡單，因此直接在abaqus中創建。
本例使用平面應力應變單元模擬實體的壓縮過程，將Module切換到Part模塊，單擊create part創建壓塊部件，部件類型選擇2D planar、Deformable、Shell，進入草圖環境，繪制壓塊圖形如圖1，繪制完成后單擊done完成壓塊的創建。繼續單擊create part創建橡膠部件，部件類型也為2D planar、Deformable、Shell，進入草圖環境，繪制橡膠圖形如圖1所示，繪制完成后單擊done退出橡膠的創建。
1.2 材料參數的定義
1.2.1 材料本構
將Module切換到property模塊。單擊create material創建材料，壓塊使用結構剛材料，密度設置7850kg/m3,楊氏模量為2.1e11Pa，泊松比為0.3。
橡膠使用超彈性材料，使用Mooney-Rivlin本構模型。
展開 [VirtualLab] 超表面空間板的建模
造成這種情況的原因有很多：便攜式設備的光學元件安裝空間較小，而較小的系統往往具有較低的重量和材料成本。最近在這一領域提出的一種巧妙的策略是“空間板”：超表面允許在自由空間中模擬比空間板的實際厚度長得多的傳播。例如，這樣的元件可以縮短聚焦透鏡后的距離同時實現聚焦(不改變NA)。在這個例子中，我們展示了由Orad Reshef等人提出的多層超材料的空間板的特性，并研究了其在光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion中的行為。
建模任務
建模技術的單平臺互操作性
當光在系統中傳播時，它將與不同的元件相遇并相互作用。系統的每個元件都需要一個在精度和速度之間提供良好折衷的合適模型：
? 自由空間傳播
? 空間板
? 探測器
連接建模技術：自由空間傳播
? 自由空間傳播
? 空間板
? 探測器
可用的自由空間傳播建模技術:
由于向焦點的傳播必須包含衍射效應才能獲得準確的結果，因此選擇傅里葉域技術作為模擬速度和精度之間的良好折衷。
連接建模技術：分束器
? 自由空間傳播
? 空間板
? 探測器
分束器可用的建模技術:
由于S矩陣求解器完全在k域中運行，因此在應用該求解器時不需要在域之間切換(傅里葉變換)的額外步驟。這是允許最快的模擬速度，同時保持嚴格的模型。
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材料力學所涉及的內容分屬于兩個學科：
固體力學 (solid mechanics)，即研究物體在外力作用下的應力、變形和能量，統稱為應力分析 (stress analysis)。但是，材料力學又不同于固體力學，材料力學所研究的僅限于桿類物體，例如桿、軸、梁等。
材料科學 (materials science) 中的材料的力學行為 (behaviors of materials)，即研究材料在外力和溫度作用下所表現出的力學性能 (mechanical properties) 和失效 (failures) 行為。但是，材料力學所研究的僅限于材料的宏觀力學行為，不涉及材料的微觀機理。
力學特性是指在外力作用下材料變形與所受外力之間的關系，以及材料抵抗變形和破壞的能力，這些力學特性均需通過材料試驗確定。
以上兩方面的結合，使材料力學成為工程設計 (engineering design) 的重要組成部分，即設計出桿狀構件或零部件的合理形狀和尺寸，以保證它們具有足夠的強度、剛度和穩定性。
展開 Abaqus纖維復合材料蜂窩板落錘沖擊仿真模型
內插0厚度cohesive單元以模擬分層
模擬過程采用puck子程序，有錄制整個建模操作視頻，可贈送復合材料層合板快速建模插件及蜂窩建模插件!
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Abaqus纖維復合材料蜂窩板落錘沖擊仿真模型!
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cae,inp文件及ODB文件，操作視頻(注意：并未含puck子程序，僅作學習參考)
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展開 軟體機器人超彈性材料本構賦予的兩種實現方式 ￥29.99
引言：超彈性材料是軟體機器人實現 “大變形、高回復、低剛度” 核心性能的關鍵載體，其力學行為需通過精準的本構模型描述。在 Abaqus 仿真環境中，針對軟體機器人的超彈性材料本構，主要存在兩種主流賦予方式：一是直接調用內置的Mooney-Rivlin 應變勢能模型，適用于常規彈性體（如硅橡膠）的快速仿真；二是通過UHYPER.for 用戶子程序自定義應變勢能，適配新型超彈性材料（如梯度彈性體、仿生彈性體）的特殊力學行為。本文將圍繞這兩種方式，結合 Abaqus 仿真全流程（建模、參數設置、分析步、相互作用等），詳細闡述實現邏輯、操作要點及結果對比，為軟體機器人的超彈性仿真提供可復現的技術方案。
1、 計算結果與分析
兩種超彈性本構方式的仿真結果需從 “精度、效率、適用性” 三個維度對比，核心差異如下：
（1） 力學響應精度
Mooney-Rivlin 模型（1 階）：因模型未考慮高階非線性項，易出現 “應力預測偏低” 問題，誤差可升至 15% 以上。
UHYPER.for 子程序：通過自定義高階應變勢能函數（如 Ogden 模型、Yeoh 模型），可覆蓋小至大變形全范圍，與實驗數據誤差穩定在 3% 以內，尤其適合軟體機器人扭轉、彎曲等大變形工況。
（2） 計算效率
Mooney-Rivlin 模型：無需編譯子程序，計算迭代次數少。
UHYPER.for 子程序：需先通過 Fortran 編譯器（如 Intel Fortran Compiler）編譯子程序，且自定義函數的導數計算會增加迭代復雜度。
（3） 收斂性表現
Mooney-Rivlin 模型：因本構關系簡單，在幾何非線性打開、增量步合理設置的前提下，收斂率可達 95% 以上，極少出現 “迭代終止” 問題。
展開 abaqus模擬超材料三點彎分析 ￥9.9
3.2面內抗壓性能分析
基于第 2.3 節所闡述的建模方法可以完成三點彎結構的精細化建模。本節采用該精細模型對三點彎結構的面內抗壓性能進行了數值模擬，并將所得結果與文獻結果進行了對比。進行面內抗壓性能模擬的有限元模型尺寸參考文獻，有限元模型幾何結構如圖
3.2.1不同單板模型抗壓性能對比
如圖建立了三種單胞的示意圖，從如下圖所示的截面圖可看到，OCT的截面圖是8根桿匯集在一起的，而FCC和BCC是四根單胞構成的桿件組合在一起的，FCC和BCC之間的不同是由于側面結構的不同，FCC的每個側面還有兩根交叉的桿件：
(a) OCT (b) FCC (c) BCC
自己用表格的形式給下每部分的尺寸
下面是個類似例子
如果做實驗了，就把試驗也放在上面對其進行對比下，我先把帶有試驗的分析給你寫出來，如果用的話你就放在這里，沒用的話就刪除就行了。
基于三種單胞模型，分別做了OCT、FCC、BCC的實驗，得到的結論為OCT>FCC>BCC,通過有限元仿真，將其下端固定約束，上端施加50N的載荷，分別得到如下結果：
(a) OCT (b) FCC (c) BCC
(a)結構分析
桿件的數量影響結構的穩定性，BCC由于桿件數量較多的原因，結構的強度剛度、穩定性都比較好，并且在Mises應力分布中，在相同載荷下，其應力極值為最小，說明結構的穩定性較好。其次由于FCC相較于BCC的桿件數量較多，雖然多于的桿件不在結構的對角線上，但在結構的側面對結構的剛度以及穩定性都起到了較為重要的作用。
展開 
校準超彈性材料 ￥5
超彈性是聚合物和生物材料的一種特征性材料行為，例如橡膠、靜脈和腦組織。一個共同特征是超彈性材料通常會發生較大的變形。它需要特殊的材料模型和材料性質校準，以考慮超彈性行為。
在本案例中，超彈性通過Mooney-Rivlin材料模型進行建模。提供多組實驗測試數據用于材料性質校準。按照說明文件復現校準過程。之后，對樣品進行拉伸和扭轉模擬，獲得力矩與旋轉曲線。把結果和實驗結果對比，看看是否匹配。
展開 將超透鏡建模集成到多尺度光學系統仿真中（Frank Wyrowski教授）
鑒于相位Ψ在透鏡建模以及設計中的關鍵重要性，必須開發一種穩健的方法，通過來計算Ψ。
圖7：幻燈片#56
幻燈片 #54–55
定義矩陣的關鍵因素，進而定義波前相位響應Ψ，包括由參數向量定義的局部結構，在這里表示為兩種類型的超透鏡單元，局部入射方向以及波長。需要強調的是，在物理光學和幾何光學中，局部方向向量的確定方式是相同的。為了總結我們對矩陣依賴關系的理解，我們將矩陣表示為結構參數、局部入射方向向量和波長的函數。從數學上講，矩陣的依賴關系表示為。
在超透鏡建模和設計領域，深入理解矩陣的值至關重要。這些知識橫跨參數空間、方向域和波長范圍。我們希望強調的是，任何在光學軟件領域中沒有使用完整建模矩陣來涵蓋必要的結構參數、方向和波長范圍的方法，都不具備足夠先進的能力來提供研究平面光學潛力所需的工具。因此，我們在參數空間內計算選定類型的超透鏡單元結構、相關方向域和應用波長范圍的所有矩陣值。這些矩陣值作為神經網絡中的節點，連接參數空間、方向域和波長范圍。該神經網絡封裝了用于具有特定超透鏡單元配置的超透鏡的所有建模和設計數據。
幻燈片 #56
需要注意的是，這個神經網絡對于每種類型的超透鏡單元結構只需要計算一次。在典型的筆記本電腦上使用先進的建模方法，根據涉及的節點數量，設置神經網絡所需的時間從幾小時到幾天不等,。VirtualLab Fusion 支持分布式計算，這使得隨著更多客戶端的加入，計算時間幾乎呈線性減少。總之，網絡計算在平面光學建模和設計中并不是一個實際限制。接下來，我們將假設神經網絡已經建立并準備好提供所有關于矩陣元素的必要細節。
圖8：幻燈片#49 metacells結構的計算
幻燈片 #57
在神經網絡建立后，我們現在著手確定超透鏡的波前相位響應的任務。
展開 天大《AFM》：三維可編程超材料！
圖4.具有機構模塊3D鑲嵌的超材料。a)通過在3D空間中鑲嵌系列組件而創建的3D超材料的設計方案I。b)三維超材料的設計方案II，分別在x、y和z方向上具有(mx+nx)、(my+ny)和(mz+nz)模塊，以形成立方體網格的框架。
本文通過對Wohlhart多面體的運動學分析，揭示了該機構有EC、EP和LT三條運動路徑，分別位于分岔點B0和Bx/By/Bz。以單一機構為模塊，通過分叉可以在EC、EP和LT路徑下不同的泊松比、NPR、PPR和ZPR之間進行切換。因此，泊松比可以隨模體的運動而調節，但對幾何參數不敏感。由于模塊的可重構性，通過調整?∞和+∞狀態模塊的數目比例，可以在PPR到NPR的大范圍內對正交平面上的泊松比進行獨立編程，大大提高了具有可編程泊松比的三維超材料設計的靈活性。
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對應有ASTM、國標材料庫、catia內置材料對應庫、歐標金屬和各牌號碳纖維復合材料庫。
含金屬、陶瓷、織物、建筑材料、木材、石材及碳纖維復合材料。
將lib文件放入C:\Users\Administrator\abaqus_plugins文件夾即可在abaqus中使用
