超彈材料
關(guān)注創(chuàng)建者：Martin007 創(chuàng)建時間：2018-08-23
超彈材料的視頻教程
寧博士CAE：ANSYS超彈材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線的擬合及材料參數(shù)確定
寧博士CAE：ANSYS超彈材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線的擬合及材料參數(shù)確定
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Abaqus材料模型-hyperfoam超彈泡棉
一、Hyperfoam——理論知識：介紹hyperfoam的理論基礎(chǔ) 二、Hyperfoam——測試及數(shù)據(jù)擬合：介紹應(yīng)用hyperfoam應(yīng)進行的力學測試、abaqus參數(shù)擬合、應(yīng)用、要點等
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超彈材料的實例教程
橡膠因其良好的伸縮性和復(fù)原性，成為我們生活中一種常用材料，被廣泛用于密封、減震部件，其主要包括天然橡膠及合成橡膠，屬于無定形的高聚物，是超彈性材料的典型代表。橡膠材料具有不可壓縮、非線性以及大變形的特點，導(dǎo)致我們無法簡單的用彈性模量和泊松比定義其性能參數(shù)，那我們?nèi)绾稳ザx呢？下文將對橡膠材料的特點以及本構(gòu)模型進行介紹，分析不同本構(gòu)模型的區(qū)別與應(yīng)用場景，并就利用ANSYS Workbench結(jié)合單軸試驗應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進行橡膠材料曲線擬合進行介紹！
在結(jié)構(gòu)有限元分析中，常會遇到如橡膠、生物組織等非金屬材料。由于這些材料的力學性能和金屬材料的力學性能有著巨大區(qū)別，如大彈性變形，不可壓縮性，粘彈性等等。力學家和工程師們將這些材料統(tǒng)稱為超彈（Hyperelastic）材料，并將描述這類材料的力學模型稱之為超彈模型。
這些超彈材料（模型）都有顯著的特征：
能承受很大的彈性（可恢復(fù)）變形，有時應(yīng)變最高可達10倍。
超彈材料幾乎是不可壓縮的。因為變形是通過材料分子鏈的拉直引起, 所以在外加應(yīng)力作用下的體積變化很小。
應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出高度的非線性。通常, 拉伸狀態(tài)下, 材料先軟化再硬化，而壓縮時材料急劇硬化。
為了預(yù)測和分析這些超彈材料的力學性能，力學家們提出了很多模型。常見的超彈模型有：Neo-Hookean, Mooney-Rivlin, Odgen, Arruda-Boyce, Gent, Yeoh, Blatz-Ko等等。目前無論是各種橡膠制品（如密封圈），生物材料（如肌肉），到電影虛擬渲染（CG）都大量用到了這些模型。WELSIM也已經(jīng)基本支持了這些模型。今天我們就來詳細介紹一下neo-Hookean。
Neo-Hookean模型
Ronald Rivlin（1915-2005）在1948年提出，此Rivlin同時也是提出著名Mooney-Rivlin超彈模型的Rivlin。可以看出neo-Hookean并不是以人名命名的模型。這位出生于英國的力學家早年本科畢業(yè)于英國劍橋著名的圣約翰學院（St. John’s Colleage），畢業(yè)后沒多久就經(jīng)歷了第二次世界大戰(zhàn)，先后在通用電氣，英國飛機制造局，大不列顛橡膠制造研究所工作過，并對橡膠的研究展現(xiàn)出極大的興趣和成就。37歲獲得博士學位。
展開 # 樂學以致遠，在懵懂中前進 # ---------------------------------------------# 超彈性材料本構(gòu)分析實例 #
對于涉及到超彈性材料的結(jié)構(gòu)有限元分析，無形中加大了分析難度！第一點就是關(guān)于超彈材料材料參數(shù)的確定，如何解決呢？首先選用合適的本構(gòu)模型（一類是基于連續(xù)介質(zhì)力學的維象理論模型，如Mooney-Rivlin模型、Ogden模型；另一類是基于統(tǒng)計熱力學，如Neo-hookean模型），通過開展試驗并結(jié)合曲線擬合的方法確定材料參數(shù)。第二點就是超彈材料表現(xiàn)出不可壓縮性，也就是泊松比接近0.5，必須定義不同的單元技術(shù)以保證計算的收斂和準確性，不然會引發(fā)剪切自鎖和體積自鎖導(dǎo)致求解困難。下文分別就超彈材料的材料參數(shù)確定方法、單元技術(shù)學習以及分析實例展開講述。
橡膠是最常見的超彈性材料，表現(xiàn)出超彈性和粘彈性
展開 液態(tài)金屬憑借其高導(dǎo)電性，室溫下可任意形變及低模量的特點，在可拉伸及可穿戴電子材料領(lǐng)域具備很好的商業(yè)應(yīng)用前景。然而，目前可拉伸的液態(tài)金屬導(dǎo)體材料面臨著兩個嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，由于比表張力很大 （以鎵銦錫共熔液態(tài)金屬為例，室溫下的表面張力為718 mN m-1），液態(tài)金屬很難自動在可拉伸的高分子基底表面浸潤及鋪展，這給液態(tài)金屬導(dǎo)體的制備帶來困難。其次，由于大應(yīng)變拉伸時導(dǎo)體材料的尺寸變化，導(dǎo)體的電阻不可避免地會有很大的增加 （幾十幾百倍）。此外，在可穿戴電子的是長期實際應(yīng)用中，材料的透氣性對穿著舒適性也極為重要。基于以上，鄭子劍教授團隊通過對超浸潤液態(tài)金屬及拉伸導(dǎo)電性增加的聚合物分子框架的設(shè)計，在三維多孔的纖維網(wǎng)絡(luò)修飾可與液態(tài)金屬反應(yīng)型浸潤的銀層，使得液態(tài)金屬的浸潤接觸角到0°左右。同時，纖維網(wǎng)絡(luò)的毛細力使得液態(tài)金屬可快速灌輸?shù)?em>超親的纖維網(wǎng)絡(luò)中。這一現(xiàn)象在拉伸過程中更加明顯，進而產(chǎn)生更多的導(dǎo)電回路來緩解電阻在大應(yīng)變下的變化。
圖1. 超浸潤液態(tài)金屬及拉伸導(dǎo)電性增加的液態(tài)金屬導(dǎo)體材料的制備。
該團隊通過液態(tài)金屬與銀層的反應(yīng)型浸潤，制備銦銀的金屬間化合物，使得液態(tài)金屬在靜電紡絲纖維網(wǎng)絡(luò)表面的接觸角從145°降低到0°左右。同時，由于靜電紡絲網(wǎng)絡(luò)的毛細力，液態(tài)金屬可進一步灌輸?shù)狡淙S多孔的結(jié)構(gòu)中，可得到高液態(tài)金屬載量 （64~210 mg cm-2）低電阻的可拉伸導(dǎo)體材料。在實際應(yīng)用中，該導(dǎo)體材料還能在拉伸-松弛的過程中形成橫向網(wǎng)狀和垂直彎曲的褶皺結(jié)構(gòu)，使得該導(dǎo)體具有透氣透水性。
展開 當選擇 YES時，激活防止負體積單元出現(xiàn)或其他可壓縮材料的過度變形，這對超彈材料是默認的。Distortion control參數(shù)對線性動力學不可用，并且不能防止單元由于時間不穩(wěn)定、沙漏不穩(wěn)定或不切實際的物理變形造成的扭曲。
2、Hourglass control：
當選擇Enhanced選項，則使用基于假定的增強應(yīng)變方法來控制沙漏；
當選擇Relax stiffness選項，則使用整合的粘彈性形式控制沙漏；
當選擇Stiffness選項，則對于standard分析除了超彈材料和修正的四面體和三角形外的單元默認，為所有減縮積分單元定義沙漏控制是嚴格的彈性；
當選擇Viscous選項，則為縮減積分單元定義沙漏阻尼；
當選擇Combined選項，則定義沙漏控制的單元粘性-剛度形式。
3、Scaling factor：
對于沙漏剛度的比例因子，只應(yīng)用在explicit求解器中，影響小應(yīng)變殼單元的超出平面的移動自由度。如果為空，默認值是1.0。建議范圍是0.2~3。
Linear bulk viscosity 表示線性體積粘度的比例系數(shù)。如果為空，默認值是1.0，建議范圍是0.0~1.0。
Quadratic bulk viscosity 表示二次體積粘度的比例系數(shù)。如果為空，默認值是1.0，建議范圍是0.0~1.0。
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? 掌握應(yīng)用Marc橡膠超彈材料本構(gòu)參數(shù)擬合，橡膠大變形仿真、裝配螺栓預(yù)緊承載仿真，熱及熱機耦合仿真的仿真流程及操作，掌握Marc軟件進行基本的線性和非線性分析; 掌握線性靜力學、幾何非線性、材料非線性、接觸的定義分析方法，了解不同非線性分析的設(shè)置定義。
氣球的實際材料為橡膠，具有超彈材料的特性，因此本文選用了mat_121。
氣球材料卡片及材料參數(shù)
材料mat_121是一個粘彈性材料本構(gòu)模型，它采用的是Maxwell方程。Maxwell模型通過一個彈簧單元和一個阻尼單元串聯(lián)形成。
橡膠材料是一種典型的超彈材料，其在受力過程中可以看作只有形狀改變而其體積幾乎無變化的不可壓縮性物體，同時還伴隨著幾何非線性和物理非線性。因此，對橡膠材料的相關(guān)仿真計算的難度相對較大一些。
首先簡單回顧一下有限元仿真分析中的非線性問題類型：
①邊界條件的非線性：即邊界條件在分析過程中發(fā)生變化。接觸問題就是一種典型的邊界條件非線性問題。
Marc作為一款功能強大的高級非線性有限元分析軟件，在橡膠密封領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，其具有豐富的橡膠超彈材料本構(gòu)模型
目前已支持線性/非線性的靜力分析，支持線彈性、彈塑性、超彈等材料本構(gòu)并內(nèi)置常見工程材料庫，支持常見的荷載類型，支持面面接觸、綁定接觸與螺栓連接，支持設(shè)置網(wǎng)格剖分尺寸與階次，并提供豐富的后處理可視化功能，可滿足高校在結(jié)構(gòu)仿真方面教學與科研的需求。
力學家和工程師們將這些材料統(tǒng)稱為超彈（Hyperelastic）材料，并將描述這類材料的力學模型稱之為超彈模型。
力學家和工程師們將這些材料統(tǒng)稱為超彈（Hyperelastic）材料，并將描述這類材料的力學模型稱之為超彈模型。
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