非線性材料的案例
非線性材料的熱疲勞仿真
模擬非線性材料中疲勞的工程師們常常面臨著兩個挑戰。一是必須用正確的本構關系表征材料的力學行為，二是使用一個能夠描述壽命控制機制的疲勞模型，應對這兩個挑戰需要有全面的材料力學知識。今天，我們將討論在對非線性材料中的熱疲勞進行建模時面臨的這些挑戰。
熱疲勞
我們可以使用 COMSOL 軟件中提供了一系列預定義的非線性材料模型的
非線性結構材料模塊
，與包含了許多用于不同應用的疲勞模型的
疲勞模塊
，來解決包含上述挑戰的一些應用的數值模擬。
當溫度變化時，材料會膨脹或收縮。在由幾個不同零件組成的應用中，這種熱變形將受到限制，因為各種材料的熱膨脹系數不同。在存在非線性材料的情況下，這種現象將更具挑戰性。
關于非線性材料
材料的非線性意味著變形與載荷不成正比。不同材料的非線性可以大致分為可逆的非線性和不可逆的非線性。可逆的非線性也被稱為彈性非線性，這意味著一旦外部載荷回到起始點，應變狀態就會回到初始狀態。
表現出不可逆非線性的材料在加載時可以承受永久性的損傷，并且在卸載時不會恢復到初始狀態。例如，下圖中的一個具有非線性焊接材料的
表面貼片電阻
受到了熱循環的影響示例就表現出這種現象。
在熱負荷周期結束時，表面貼片電阻的位移。藍色表示零位移。
材料的非線性是一種蠕變機制，一旦材料受到應力場的影響就會發生變形，即使應力場保持不變。由于表面貼片電阻的不同部分的
熱膨脹
是不均勻的(底部的印刷電路板更大，頂部的電阻更小)，因此在熱載荷循環中，該組件受到了壓力。
一旦熱載荷達到載荷循環的終點，并返回到初始溫度，電阻器兩端的焊點就會留下永久變形(蠕變應變)。焊點的永久變形會阻止其余部分恢復到初始狀態。我們可以在圖中看到這一點，電阻被壓縮并隆起，而印刷電路板被拉長。
展開 有限元基礎-材料非線性
材料非線性是結構分析中三大非線性之一，除了線性材料之外均為非線性材料，線性材料表示應力與應變的關系滿足胡克定律，在靜力學分析時只需設置材料的楊氏模量和泊松比即可（剪切模量可以通過上述兩個參數求得）。
材料非線性為材料的本構已經不再簡單通過胡克定律來完整描述，常見的非線性材料本構如下：
彈塑性材料本構，在鋼的拉伸實驗中可以發現應力應變曲線明顯存在兩個過程，分別是彈性變形和彈塑性變形，在彈性段時應力應變呈線性關系，過了屈服之后進入彈塑性階段，此時應力應變不再呈線性關系。當進行金屬塑性加工仿真時往往材料都會進入彈性變形階段，所以必須要考慮材料非線性。
彈性材料模型的三大準則為屈服準則、流動準則和硬化準則。屈服準則一般采用Mises屈服準則，即各應力分量求得的Mises應力超過材料屈服強度時進入屈服；流動準則假定材料塑性勢函數與屈服勢函數一致，塑性變形增量總是沿著塑性勢法線方向；硬化準則分為各向同性硬化（屈服半徑擴大，屈服中心不變）、隨動硬化（屈服半徑不變，屈服中心移動）和混合硬化（屈服半徑和屈服中心都變）。
在工程仿真時對于彈塑性本構采用兩種方式：一種是將彈性階段和硬化階段簡化為兩個線性過程，因此稱為雙線性材料模型（點擊參考文章《材料模型》）；另一種是將整個應力應變實驗數據導入材料模型中。
超彈性材料本構，超彈性材料實際上是一種非線彈性，材料可以產生較大的應變并能完全恢復，典型的例子就是橡膠材料，超彈性材料一般會表現為不可壓縮性，即泊松比接近0.5。
描述超彈性本構比較復雜，往往需要通過多種測試來確定本構參數，例如單軸拉伸、雙軸拉伸及剪切等，測試數據越多越全面對材料的描述越準確。常使用的超彈性本構有Neo-Hookean、Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden等，各本構模型適用的條件不同，詳細了解可以參考相關資料。
展開 記憶合金、等12種非線性材料的單軸拉伸模擬
進入正題
簡言之，本文主要講解了12種常見的非線性材料在ANSYS中定義和使用。文后給出了具體的使用命令流。這里以記憶合金為例子進行一次單軸拉伸模擬，來求解記憶合金的應力-應變關系。
計算結果
記憶合金的本構關系：
模型建立
針對以下圖例所示模型，邊長L的正方形塊，約束左邊的X自由度和底部的Y自由度，在頂部施加均勻壓力載荷。這樣一個單軸拉伸模擬可以用平面單元建立，也可以用實體單元建立，區別不大。
材料參數
非線性材料的使用的關鍵是材料的定義，ANSYS中提供了多種非線性材料本構模型，包括：各向異性超彈性材料模型、鑄鐵材料模型、塑性材料模型、復合材料模型、流體材料模型、泡沫材料模型、混泥土材料模型定義、粘塑性材料模型、粘彈性材料模型、內聚力模型、多重彈性材料、壓電材料模型、形狀記憶合金材料模型、顯示彈簧阻尼材料模型、各向異性彈性矩陣定義、各項異性塑性材料模型、雙線性各向異性硬化模型、雙線性隨動硬化模型、各向異性導電性模型、各向異性導磁性模型、各向異性電極化模型、墊片材料模型、蜂窩材料模型、超彈性材料模型、膨脹參數模型等，還有很多較復雜的材料本構模型以及可以用戶自定義材料本構模型。
以記憶合金為例子具體介紹，記憶合金材料的定義除了定義基本彈性模量參數和泊松比參數，關鍵是定義記憶合金的本構關系。如圖給出記憶合金的本構關系，因此記憶合金的使用，還需要定義圖中的幾個關鍵參數。
了解了記憶合金的本構關系，具體的定義其實很簡單，如下命令流中
TB
,
SMA
,1 ：定義1號材料為記憶合金本構模型
此后，需要通過TBDATA指定記憶合金本構關系中的幾何參數，依次為：
TBDATA,1,520,600,300,200,0.07,0 !
展開 線性/非線性分析及注意事項 附Abaqus 非線性有限元分析實例下載
如果在分析過程中，外載荷與模型的響應之間為線性關系，去掉載荷后，模型能夠恢復至初始狀態，這就是一個線性分析，其特點是：
1）幾何方程的應變和位移的關系是線性的；
2）物理方程的應力和應變 的關系是線性的；
3）根據變形前的狀態建立的平衡方程是線性的；
4）可以滿足疊加原理。
上述 4 條中如果有 1 條不滿足要求，就必須進行非線性分析。
如果外載荷與模型的響應之間具有非線性的關系，就屬于非線性問題，它可以分為三類：幾何非線性、邊界條件非線性和材料非線性。
1）幾何非線性
如果模型在分析過程中出現大的位移或轉動、突然翻轉（snap through）、初始應力或載荷硬化（load stiffening），位移的大小會影響模型的響應，就是幾何非線性問題。
幾何非線性問題比較復雜，它不僅涉及非線性的幾何關系，而且還涉及到依賴于變形的平衡方程等問題，其計算表達式與線性問題的表達式有很大的不同。
2）邊界條件非線性
如果在分析過程中邊界條件發生變化，就屬于邊界條件非線性問題。接觸問題是最常見的邊界條件非線性問題。
3）材料非線性
如果材料的應力-應變關系曲線是非線性的，或者模型中涉及材料失效或與應變率相關的材料屬性，就屬于材料非線性（又稱為物理非線性）。常見的非線性材料包括：超過屈服點的金屬材料、超彈性材料（如橡膠）、粘彈性材料、亞彈性材料等。
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橡膠材料也是工業中的常用材料。
01 在小變形分析中，可以使用線性本構模型來定義橡膠。
02 使用橡膠的場景中，橡膠一般都會出現大變形，此時使用線性模型是不適合的。
03 考慮橡膠材料的非線性，橡膠既是超彈性材料（彈性很大），也是粘彈性材料（具有粘性）。
04 結構模態分析不允許使用非線性材料，橡膠在此種情況下應該如何處理。
下文目錄
一：模態分析（含筆者實際工作）
二：非線性本構（含筆者實際工作）
展開 在 COMSOL 中模擬非線性磁性材料
在 COMSOL Multiphysics 中可以使用 AC/DC 模塊中的非線性磁性材料數據庫中的非線性磁飽和曲線進行頻域仿真。您也可以使用有效非線性磁曲線計算器仿真 App 將關聯的 B-H 或 H-B 曲線（以前僅支持穩態和瞬態研究）轉換為有效的 B-H 或 H-B 曲線。這篇文章我們將討論如何在頻域仿真中使用這個仿真 App。
頻域中的非線性磁性材料
一個常見的建模假設是在本構關系中指定線性磁導率。假設材料對在初始建模階段施加的場具有線性響應，通常是一種很好的做法。在 COMSOL Multiphysics 中，只需要在磁場接口的本構方程中應用一個磁導率常數值就可以實現這一點。
然而，許多鐵磁材料表現出非線性關系，它們的磁化強度，即使是很小的變化，也非線性地取決于磁場。這些材料還表現出滯回特性，也就是外加磁場對磁化的依賴性。模擬滯回特性對計算要求很高，比較困難。就像之前的文章中所描述的，COMSOL Multiphysics 中提供的非線性磁性材料不包括完整的磁滯回線，而是在第一象限中納入磁飽和效應的平均 B-H 曲線。
這些磁化曲線也稱為直流 或常規磁化 曲線，它是通過在磁滯回路的尖端繪制 B 和 H 最大值的軌跡獲得的。這些磁飽和曲線可以直接用于穩態和瞬態研究，但不能用于頻域研究。為了在頻域中求解，您需要一條“平均循環的”B-H/H-B 曲線，該曲線在特征頻率處近似于非線性材料。
有效非線性磁曲線計算器仿真 App 可生成用于頻域（時諧）仿真的有效 B-H/H-B 曲線。這些有效的 B-H/H-B 曲線可以直接在 COMSOL Multiphysics AC/DC 模塊的磁性接口中使用，該模塊內置了對這些材料進行建模的功能。
展開 探索結構工程中的線性靜態分析與非線性分析
在結構工程領域，線性靜態分析和非線性分析是兩種常用的分析方法，用于研究和評估結構在受力情況下的行為和性能。本文將詳細介紹這兩種分析方法的基本概念、適用范圍、計算方法以及在實際工程中的應用。
1. 線性靜態分析
1.1 基本概念
線性靜態分析是基于線性彈性理論的一種分析方法。它假設結構的材料行為是線性的，即應力與應變之間存在線性關系；同時假設加載是靜態的，即載荷是恒定的且不隨時間變化。
1.2 適用范圍
線性靜態分析適用于小變形、小位移的結構，例如剛度相對較高、加載相對較小的情況。它通常用于進行結構的初步設計和評估。
1.3 計算方法
線性靜態分析采用有限元、有限差分、有限體積等數值方法進行計算。通過求解線性方程組，可以得到結構在靜態加載下的位移、應力等信息。
2. 非線性分析
2.1 基本概念
非線性分析考慮了結構在加載過程中可能出現的非線性行為，例如材料的非線性、幾何的非線性、邊界條件的非線性等。這些非線性因素可以包括材料的塑性變形、接觸問題、大變形、非線性材料性質等。
2.2 適用范圍
非線性分析適用于大變形、大位移、非線性材料行為等情況。它通常用于處理地震分析、塑性分析、非線性接觸問題等復雜情況。
2.3 計算方法
非線性分析需要采用更復雜的數值方法，例如增量法、有限元法中的非線性材料模型、非線性接觸模型等。這些方法考慮了結構在加載過程中的非線性響應，可以更準確地描述結構的行為。
3. 實際應用
線性靜態分析常用于進行結構的初步設計和評估，例如建筑物的靜力分析、橋梁的強度評估等；而非線性分析則常用于處理復雜情況，例如地震工程中的地震響應分析、大變形問題的研究等。
展開 無網格劃分新技術midas MeshFree - 非線性靜力（材料非線性）案例
簡便 高效
今天為大家帶來的是非線性靜力學分析模塊，針對下面的彈簧鉤模型，用MeshFree進行分析。
分析模型
該彈簧鉤模型，頂部的鉤子施加固定約束，底部的鉤子受到向下的120N的遠程力。
MeshFree的分析流程
①新建項目，并選擇分析類型
選擇非線性分析。
②導入CAD
MeshFree提供了非常豐富的數據接口，可滿足絕大多數工程師的需求。
③選擇材料模型
這里新建一個彈塑性的非線性材料
其塑性區通過應力-應變曲線定義。
④施加邊界條件和載荷
⑤分析控制
在進行非線性分析時，需要設置增量步和收斂容差。
其中增量步數為20。
展開 SAMCEF 非線性材料分析
SAMCEF for Composites：用于復合材料結構線性和非線性分析的解決方案，例如夾芯材料（蜂窩復合材料、泡沫塑料等）、疊層結構板、纖維纏繞壓力容器等，包括各種光纖系統的分層與累積損傷模型
SAMCEF Mecano ：功能強大的用于結構與機構非線性分析的通用軟件：
- MECANO Structure：非線性結構分析，包括完善的非線性材料模型庫，同時集成先進的用于摩擦或無摩擦剛體/剛體、剛體/柔體以及柔體/柔體的接觸算法
- MECANO Motion：剛柔多體系統的仿真
- MECANO Cable：易承受電動力和氣動彈力的電纜結構的非線性分析具有MATLAB Simulink的SAMCEF Mecano接口可使其更容易通過在有限元建模中集成數控功能來分析機電系統。
SAMCEF Linear：用于熱機械系統線性有限元分析的通用軟件：
- SAMCEF Asef：線性靜態分析，也允許各類接觸條件和非線性效應建模——例如幾何（預應力）或離心剛化（例如幾何剛化（即初應力剛化）或旋轉引起的動力剛化）
- SAMCEF Dynam：模態動力學分析，包括超元法（包括超單元法）
- SAMCEF Stabi：預測臨界縱向彎曲載荷和相關模式（臨界屈曲載荷和相關模態）
- SAMCEF Repdyn：動力學的瞬態、諧波與地震響應
SAMCEF Thermal：用于非線性穩態和瞬態熱分析的通用軟件，允許耦合傳導、對流和輻射效應的仿真。使用與SAMCEF Mecano一樣的軟件基礎設施，SAMCEF Thermal 也可與MATLAB Simulink相接合,并且事實上也支持熱控應用。
展開 Simright 2018.08.24更新:支持彈塑性材料非線性分析功能！
https://www.simright.com/zh/blogs/simright-2018-08-24-tansuoxing/
更新語錄許多金屬在小應變時表現出近似線彈性的特性，此時材料的彈性模量為常數，而在高應力或應變情況下，金屬開始表現出非線性、非彈性的行為，我們通常稱之為塑性。本周Simright新增了彈塑性材料非線性分析功能，可在材料屬性界面選擇是否激活該功能。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！
2018.8.18-2018.8.24
Simulator (在線仿真計算軟件)
1.新增：支持彈塑性材料非線性分析
支持在材料屬性頁面激活彈塑性材料非線性分析功能。
2.修復：打開他人項目后可以排除模型的部件
修復了在公開項目列表中打開他人項目后可以排除模型部件的問題。
Toptimizer(在線拓撲優化軟件）
1.新增：支持彈塑性材料非線性分析
支持在材料屬性頁面激活彈塑性材料非線性分析功能。
2.修復：打開他人項目后可以排除模型的部件
修復了在公開項目列表中打開他人項目后可以排除模型部件的問題。
⊙歡迎加入Simright QQ群：576512506
產品使用請訪問：www.simright.com
展開 NX 超彈性材料的大變形非線性分析
NX 高級非線性分析
NX高級非線性集成了強大的非線性解算器ADINA，能夠處理大量具有挑戰性的非線性仿真，這些仿真涉及面對面接觸、大變形、大應變和非線性材料。可使用的材料模型有：彈性各向同性、彈性正交、復合、密封材料、彈塑性、超彈性、溫度依賴、非線性彈性和彈性蠕變。解決方案功能包括：靜態解決方案、動態解決方案、蠕變分析、負荷位移控制、自動時間步長。曲面接觸功能包括：單面和雙面、自接觸、全接觸、摩擦模型、偏移、剛性和柔性接觸曲面。包括了隱式解算器解決方案（SOL 601）和顯式解算器解決方案（SOL 701）。
本例使用解算序列：601，106
下壓500mm，以下是結果動畫。
該題目保證收斂性應注意：網格劃分控制，可適當進行切分，材料參數中的屈曲模量需根據理論手冊中的計算設置。可能產生接觸的位置都定義接觸對（注意自接觸）。接觸穿深的設置會直接影響變形形狀和收斂性。
豎向剛度曲線：
展開 
ANSYS 定義非線性材料的TB命令的解釋
HILL——模擬材料的塑性、粘性和蠕變的各向異性選項，應用HILL模型，有關上述復合材料的資料見ANSYS
Elements Reference中的Material Model Combinations，更多內容詳見“HILL Specifications”。
HONEY——蜂窩狀材料選項，更多內容詳見“HONEY Specifications”。
HYPER——超彈模型選項【包括Mooney-Rivlin, Ogden, Neo-Hookean, Polynomial form, Arruda-Boyce, Gent, Yeoh, Blatz-Ko, Ogden foam和用戶自定義的材料模型】，更多內容詳見“HYPER Specifications”。
JOIN——線性或非線性彈性剛度、線性或非線性阻尼和滯摩擦行為選項，適用于MPC184，更多內容詳見“JOIN Specifications”。
KINH——多線性運動強化選項，應用von Mises或Hill塑性模型，KINH選項與TBOPT為2時的MKIN選項類似，但前者強化曲線上的約束點和溫度點更少，更多內容詳見“KINH Specifications”。
MELAS——多線性彈性選項，更多內容詳見“MELAS Specifications”。
MISO——多線性各向同性強化選項，這一選項應用von Mises或Hill 屈服準則，更多內容詳見“MISO Specifications”。
MKIN——多線性運動強化材料選項，這一選項應用von Mises或Hill 屈服準則，更多內容詳見“MKIN Specifications”。
MOONEY——Mooney-Rivlin超彈單元選項，更多內容詳見“MOONEY Specifications”。
展開 ABAQUS非線性屈曲分析
屈曲分析主要用于研究結構在特定載荷下的穩定性以及確定結構失穩的臨界載荷，屈曲分析包括： 線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩分析又稱特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預載荷，也可使用慣性釋放；非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩分析， 彈塑性失穩分析（材料非線性失穩分析）， 非線性后屈曲分析（包含幾何非線性和材料非線性）。
ABAQUS屈曲分析有三種方法：
1、直接施加極值載荷，拉出力-位移曲線，查看區區狀態。這種方式不適合對稱結構，如一塊板、或圓筒，軸向加載時分析不出屈曲效果；
2、特征值屈曲分析方法，可以評估結構的屈曲臨界值，但是只能是線性分析；
3、Riks法，這種方法可以計算最大臨界載荷和屈曲后的后屈曲響應，可查看后屈曲狀態，可以考慮材料非線性、幾何非線性及初始缺陷的影響，其中初始缺陷通過特征值屈曲模態、振型及一般節點位移來表述。
我們此次課程中采用屈曲分析方式，先計算屈曲模態，也就是先做特征值屈曲分析，此分析為線性屈曲分析，在小變形的情況下進行，得出臨界載荷（一般取一階模態的eigenvalue乘以加載的單位載荷1），且需要在inp文件中輸入如下圖字符，輸入次字符的目的是將初始缺陷的節點輸出為.fil文件；然后將1階屈曲模態做為初始缺陷引入極限載荷后屈曲分析，后屈曲分析可以定義非線性材料及幾何非線性，所以risk屈曲分析也成為非線性屈曲分析.
展開 非線性不收斂原因及workbench解決方案
一、非線性問題是什么？
在日常生活中，經常會遇到結構非線性問題。例如，當用釘書針釘紙張時，金屬釘書釘將永久地彎曲成一個不同的形狀(圖 1a)；在一個木架上放置重物，隨著時間的推移木架將越來越下垂(圖 1b)；汽車或卡車上裝載貨物時，輪胎和下面路面間接觸面將隨貨物重量變化(圖 1c)。如果將上述例子的載荷變形曲線畫出來，我們將發現它們都顯示了結構非線性的基本特征—結構剛度改變。
圖1：a、訂書針變形；b、書架變形；c、輪胎變形
導致結構剛度發生改變，產生非線性行為的原因有很多，主要歸結為三類：
材料非線性；
幾何非線性；
接觸非線性。
圖 2 典型的非線性類型
1、材料非線性
非線性的應力─應變關系是結構產生非線性行為的常見原因。不同環境狀況(如溫度)、加載歷史(如在彈─塑性響應情況下)、加載的時間下(如在蠕變響應情況下)，材料表現出不同的應力-應變關系。金屬塑性變形、橡膠超彈性材料、粘彈性材料、混凝土、率相關蠕變等問題都是典型的材料非線性問題。
圖 3 典型的金屬材料拉伸曲線
2、幾何非線性
如果結構經受大變形，變化后的幾何形狀能引起結構非線性行為，我們稱這類響應為幾何非線性。一個典型的例子是圖4所示的釣魚桿。隨著垂向載荷的增加，桿不斷彎曲以致于力臂明顯地減少，導致桿端顯示出在較高載荷下不斷增大的剛性，許多細長結構都表現出此類特性。還有就是薄膜結構例如鼓面，當我們給它一個預張力的時候，面內的剛度也會增大。幾何非線性主要包括大轉動、大位移、剛度硬化和結構失穩等問題。
圖4 釣魚竿的幾何非線性
3、接觸非線性
兩個分離的表面接觸并發生剪切時，我們稱它們處于接觸狀態。
展開 [Femap & Nastran培訓教程_26]材料非線性分析
26章
[Femap & Nastran培訓教程_26]材料非線性分析.part1.rar
[Femap & Nastran培訓教程_26]材料非線性分析.part2.rar
