粘彈性材料本構模型的案例
如何定義橡膠材料的超彈性、粘彈性、本構模型參數
仿真中材料參數對仿真結果的影響很大，有研究橡膠材料的超彈性和粘彈性的朋友可以Q245958758，一起交流和指導。
粘彈性材料本構模型
粘彈性（viscoelasticity）材料模型是一種率相關的材料本構模型，所謂率相關，指的是其材料性質與真實時間相關，即在不同的加載速度下，材料性質有所不同。與之相反的是率無關模型。現實世界中許多材料，如瀝青，聚合物，混凝土徐變，金屬在受高溫均表現出率相關的性質。與率相關相反的是率無關本構，其指的是材料性質與真實加載時間無關，常見的金屬經典塑性，就屬于率無關本構。力學上通常用不同的“簡化單元”如彈簧單元（用于描述彈性），阻尼單元（用于描述粘性）和摩擦單元（用于描述塑性）結合起來描述這些率相關或者率無關的材料本構模型。
例如，彈簧單元和摩擦單元結合可以用于描述率無關塑性，彈簧單元和阻尼單元結合可以用于描述粘彈性，彈簧單元+阻尼單元+摩擦單元可以用于描述粘塑性（率相關塑性）。
對于彈簧單元，有以下關系：
這就是常見的胡克定律；
對于阻尼單元，有以下關系：
對于粘彈性材料，最簡單的兩種模型如下：
其中，
Kelvin-Voigt
模型通過一個阻尼單元和一個彈簧單元并聯組成，
Maxwell
模型通過一個一個彈簧單元和一個阻尼單元串聯形成。這兩種模型，在受力時會產生不同的現象，下面從基本原理出發，闡述其具體力學現象。
（1）對于Kelvin-Voigt模型，有以下關系：
上式推導了Kelvin-Voigt模型應變與應力的關系。由該關系可知，當
不變時，應變
從0逐漸趨向于
，具體圖像如下：
這種應力不變但是應變逐漸增大的現象，我們稱之為
蠕變
。
展開 交流-ANSYS橡膠材料超彈性本構模型和粘彈性性能仿真和試驗
交流-ANSYS橡膠材料超彈性本構模型和粘彈性性能仿真和試驗
最近在搞橡膠這個方向，單軸拉伸試驗和動態DMA，研究橡膠次本構模型
有研究橡膠超彈性。粘彈性性能的朋友可以聯系，互相交流學習、答疑。
Q254958758
基于粘彈性本構模型的熱固性樹脂基復合材料固化變形數值仿真模型
背景介紹
熱固性樹脂基復合材料在制件成型過程中會產生殘余應力，引起固化變形，從而增加裝配和制造的難度，因此，合理預測預制件固化過程中的殘余應力的發展具有重要意義。
早期的研究主要集中于彈性理論來研究復材的固化成型，現今，越來越多的文獻考慮了樹脂的固化放熱以及材料的各向異性等因素的影響，發展了基于粘彈性模型的數值仿真計算方法，證明了粘彈性的結果固化變形量小于線彈性的結果，且樹脂含量越高的復材，其粘彈性效果越明顯。
RTM成型工藝示意圖
二。粘彈性模型在Abaqus中的實現
本文作者在參考文獻【1】的基礎上，使用廣義Maxwell粘彈性本構模型，聯合編寫了HETVAL、USDFLD、DISP、UMAT及UEXPAN子程序，在abaqus軟件平臺中實現了復材固化成型的仿真模擬，其基本編程思路如下圖所示：
其中，最關鍵的粘彈性本構公式為：
參考上述公式和子程序的編寫流程，可以完成上述模型。最后得到仿真Mises應力云圖和S33云圖如下：
得到的S33關于時間的曲線趨勢如下所示：
該曲線結果和文獻有出入，但是榮的文獻中關于底數的取值有錯誤，亦即下列公式的底數應以e為底數，而不是10
【1】
基于黏彈性本構模型的熱固性樹脂基復合材料固化變形數值仿真模型.pdf
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展開 
ANSYS中橡膠材料的粘彈性本構模型參數問題？
ANSYS中橡膠材料的粘彈性本構模型問題，其實也就是prong級數的問題，如何定義以及擬合橡膠的prong級數參數，有研究的朋友可以Q245958758，一起討論交流。
如何在ANSYS中擬合橡膠材料曲線？ 附Ansys橡膠材料的粘彈性本構模型下載
STEP 1：選擇材料庫中hyperelastic experiment data 選擇要輸入的材料曲線類型，例如單軸測試數據、雙軸測試數據、剪切測試數據。可只輸入一種或者兩種，或者三種都輸入。數據越多，擬合數據材料性能越接近實驗材料性能，當然也和仿真關注的材料行為有關。
STEP 2：在材料曲線表格里輸入或者直接粘貼材料曲線數據，注意是工程材料曲線。
STEP 3：從hyperelastic模型本構中拖動需要擬合的材料本構模型到材料中，此時可以在材料橡膠本構模型中發現curve fitting選項。
STEP 4：右鍵curve fitting，選擇solve curve fit，擬合好后，然后選擇copy calculated values to property，擬合參數便復制到定義的橡膠本構模型中了。另外，擬合的曲線和實驗曲線均會在圖片中顯示出來，可以對比其重合度，測試哪種本構更適合。
下載地址：Ansys橡膠材料的粘彈性本構模型
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STEP 1：選擇材料庫中hyperelastic experiment data 選擇要輸入的材料曲線類型，例如單軸測試數據、雙軸測試數據、剪切測試數據。可只輸入一種或者兩種，或者三種都輸入。數據越多，擬合數據材料性能越接近實驗材料性能，當然也和仿真關注的材料行為有關。
STEP 2：在材料曲線表格里輸入或者直接粘貼材料曲線數據，注意是工程材料曲線。
STEP 3：從hyperelastic模型本構中拖動需要擬合的材料本構模型到材料中，此時可以在材料橡膠本構模型中發現curve fitting選項。
STEP 4：右鍵curve fitting，選擇solve curve fit，擬合好后，然后選擇copy calculated values to property，擬合參數便復制到定義的橡膠本構模型中了。另外，擬合的曲線和實驗曲線均會在圖片中顯示出來，可以對比其重合度，測試哪種本構更適合。
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展開 Abaqus基于粘彈性本構的復合材料固化成型仿真
Abaqus基于粘彈性本構的復合材料固化變形分析
復合材料制件成型過程中，由于材料自身的各向異性、樹脂基體的化學收縮反應以及模具作用等因素的影響，導致制件成型過程中產生殘余應力，引起固化變形，從而增加制造成本和裝配難度。因此，合理預測制件固化過程中殘余應力的發展，計算制件的固化變形量，成為降低制造成本、提高生產效率的重要手段。
復合材料固化成型仿真主要包括三個部分：熱-化學模型，固化動力學方程和固化本構。http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1261705中介紹了固化成型過程中的熱化學模型和固化動力學方程。為了進一步研究復合材料的固化變形過程，本文又引入了粘彈性本構模型，采用完全熱力耦合的分析方法，預測了復合材料的固化變形。
目前常用的固化本構模型包括：線彈性模型，路徑依賴模型和粘彈性本構模型。
Zocher等提出的粘彈性本構模型其本構關系和應力增量方程為：
其中
式中St_im是歷史狀態變量
其中，增量步內的折算時間
式中，Cu_ij和Cf_ij分別為完全松弛剛度和未松弛剛度；aT、Wm和τm分別為轉換因子、權重系數和松弛時間。松弛時間和權重因子如下
通過Umat子程序編寫粘彈性本構模型，結合Hetval、Disp等子程序進行固化成型過程分析。有限元模型如下圖所示，包括復合材料及模具。在回彈分析時，通過Model Change 移除模具。
固化過程中的溫度和固化度關系的關系如圖所示
計算得到的溫度和應力的關系如圖所示
固化過程中的應力場如下圖所示
移除模具后，可以得到復合材料的回彈變形如圖所示
有關于子程序二次開發或者復材仿真的問題可以聯系QQ1653004885或者關注CAE320公眾號
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復合材料制件成型過程中，由于材料自身的各向異性、樹脂基體的化學收縮反應以及模具作用等因素的影響，導致制件成型過程中產生殘余應力，引起固化變形，從而增加制造成本和裝配難度。因此，合理預測制件固化過程中殘余應力的發展，計算制件的固化變形量，成為降低制造成本、提高生產效率的重要手段。
復合材料固化成型仿真主要包括三個部分：熱-化學模型，固化動力學方程和固化本構。http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1261705中介紹了固化成型過程中的熱化學模型和固化動力學方程。為了進一步研究復合材料的固化變形過程，本文又引入了粘彈性本構模型，采用完全熱力耦合的分析方法，預測了復合材料的固化變形。
目前常用的固化本構模型包括：線彈性模型，路徑依賴模型和粘彈性本構模型。
Zocher等提出的粘彈性本構模型其本構關系和應力增量方程為：
其中
式中St_im是歷史狀態變量
其中，增量步內的折算時間
式中，Cu_ij和Cf_ij分別為完全松弛剛度和未松弛剛度；aT、Wm和τm分別為轉換因子、權重系數和松弛時間。松弛時間和權重因子如下
通過Umat子程序編寫粘彈性本構模型，結合Hetval、Disp等子程序進行固化成型過程分析。有限元模型如下圖所示，包括復合材料及模具。在回彈分析時，通過Model Change 移除模具。
固化過程中的溫度和固化度關系的關系如圖所示
計算得到的溫度和應力的關系如圖所示
固化過程中的應力場如下圖所示
移除模具后，可以得到復合材料的回彈變形如圖所示
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展開 Simright 2018.8.17更新:支持超彈性材料（HyperElastic）本構模型！
https://www.simright.com/zh/blogs/simright-2018-8-17-chaodan/
更新語錄橡膠材料作為一種高分子超彈性材料廣泛應用于承載結構軸承、密封件、吸收震動的襯墊、連接器和輪胎等，已成為現代工業的重要原材料。Simulator及Toptimizer本周新增功能，支持使用有限元中常用的Mooney-Rivlin模型模擬橡膠材料力學行為。本次更新共有4項改進和修復，歡迎大家體驗，多提建議！希望大家支持云端CAE，支持Simright！
2018.8.11-2018.8.17
Simulator (在線仿真計算軟件)
1.新增：材料庫支持超彈性材料
材料庫中新增TPU材料，自定義支持超彈性材料本構模型。
2.改進：改進材料分類改進材料庫中超彈性材料（HyperElatsic）分類。
Toptimizer(在線拓撲優化軟件）
1.新增：材料庫支持超彈性材料
材料庫中新增TPU材料，自定義支持超彈性材料本構模型。
2.改進：改進材料分類改進材料庫中超彈性材料（HyperElatsic）分類。
近期熱門：
如何避免世界杯傷病危機？仿真助力定制化球鞋!完善多項細節，提升產品品質！Simright 2018.08.10更新！EasyPDM新增BDF格式文件文本內容在線對比功能！Simright 2018.08.03更新！豐富后處理中色條（Legend）顯示刻度！Simright 2018.07.27更新修復Simulator位移邊界模擬錯誤的問題！Simright 2018.07.20更新新增非推薦瀏覽器即時提醒功能！
展開 彈性模量隨應力變化的引入及仿真 ￥500
本篇文檔以一多層路基為例，考慮了路基的面層（用粘彈性材料本構模型）以及基層（采用線彈性本構模型，彈性模量隨應力變化而變化），在移動荷載作用下，模擬了路基的應力和變形。本模型的重點在于考慮了結構的材料非線性，引入了彈性模量隨加載過程中結構本身的應力而變化的方程，即將E=f(sigmax,sigmay,sigmaz) 引入到本構模型中，由于彈性模量隨應力變化而變化，在每一步計算中，都需要將應力結果提取并通過引入的方程計算得到新的彈性模量，將新計算的彈性模量重新代入本構模型中進行計算，反復迭代。基于COMSOL軟件，本案例仿真結果如下所示：
感興趣的朋友可下載模型，歡迎交流。
展開 
有關polyflow計算粘彈性本構方程不收斂情況簡要分析
粘彈性本構方程是研究聚合物的流動性質，polyflow提供了積分型和微分型本構方程，對于初學者在運用這兩種方程的時候經常會遇到一些收斂的問題(滿足網格質量要求情況下)，下面我們簡單來分析一下這其中的原因，為了更好的說明這種現象，研究從KBKZ積分粘彈性方程來說明。
polyflow中KBKZ粘彈性方程
K-BKZ模型能夠很好地描述粘彈性流體剪切變稀，拉伸黏度，以及彈性方面的第一第二法向應力差，其方程中附加應力張量可分為兩個部分：T1黏彈部分，T2純黏部分
其中m(t-s)是記憶函數，反映材料的時間依賴性；i指的是第i個松弛模量，H是阻尼函數，θ是控制法向應力差比值的一個標量
在polyflow中需要定義時間松弛譜，我們定義6個松弛時間對分別如下
物理模型（全長尺寸大概200mm左右）
邊界條件
入口速度100mm/s(紅色)
計算結果
是不是很蛋疼…………………………？是的。
簡要分析：t流動≈200/100=2s,也就是說聚合物在該區域中的流動時間最多為2s（按照壁面無滑移來說的話壁面上的聚合物速度為0），那么對于松弛時間譜上1.999和2.999這兩個時間的話，polyflow到底有沒有參與計算呢？有點懷疑。因此把松弛時間譜的個數降為4個的情況繼續算.
驚奇的發現，在去掉了2個貌似不合理的時間松弛譜之后，計算收斂了。有點讓人費解，為了研究的方便，我們取兩端的壓力降來研究。當然了這過程中涉及到時間松弛譜個數的選擇。
那么我們的懷疑的對象該不該指向這個polyflow處理時間松弛譜上呢？
展開 一個有意思的材料本構模型設計方案，拉伸變形采用von Mises屈服，壓縮側 cap屈服本構模型設計。
分享這個代碼的主要原因：一方面，它很適合做玻璃、非晶材料、壓痕問題中的壓力敏感塑性分析；另一方面，它也是學習 cap 模型、致密化硬化和隱式本構積分的一個很好的范例。論文結果表明，這一模型能夠較好復現實驗載荷—位移曲線以及壓痕致密化分布，不過需要明確指出的是，當前模型暫時還沒有考慮剪切硬化，因此更適合用于理解“壓痕致密化”這一核心機制，而不是直接覆蓋所有復雜失效問題。作為一份用于科研復現和二次開發的代碼，我覺得它很有參考價值。
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 通過UMAT實現基于DP屈服準則的改進西原模型的三維粘彈塑性（蠕變）本構模型
傳統西原模型是目前可以比較好地描述巖石蠕變過程曲線的元件模型，但是，西原模型使用的元件為黏彈、黏塑性元件（如圖1），難以描述巖石屈服破壞后進入加速階段的蠕變變形。滑坡預報，特別是臨滑預報在地質災害防治領域具有重要意義。
通過編寫abaqus UMAT子程序，可得到如下結果：
（1）應力狀態較小時，僅發生彈性應變和粘彈性應變，最后隨時間趨于穩定值。
（2）單元屈服時，發生粘彈塑性應變，應變隨加載時長逐漸增加，但尚未達到觸發應變，曲線呈現兩階段特性。
（3）隨著加載時長的增加，應變進一步增加，超越觸發應變后，進入快速蠕變階段，應變快速增加，曲線呈現三階段蠕變特性。
參考文獻：
[1] 齊亞靜, 姜清輝, 王志儉, 等. 改進西原模型的三維蠕變本構方程及其參數辨識[J]. 巖石力學與工程學報, 2012, 31(2): 347-355.
[2] 沈才華, 張兵, 王媛, 等. 基于DP屈服準則的西原本構模型及其運用[J]. 地下空間與工程學報, 2016, 12(2): 402-407.
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