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各行业常用材料本构

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不同行业使用的材料类型大同小异,但每个行业又有各自特点。各行业常用材料如下。    

汽车:车身和传动部件多使用不锈钢和铝合金,内饰板用塑料较多,高档车可能使用木材作为内饰板,四门两盖多用不到1mm厚的不锈钢,其他部件还有玻璃、橡胶、粘胶和泡沫等。

航空:表面蒙皮多用复合材料,又轻又能保证强度,内部主要承力的框架结构多使用不锈钢和高强度铝合金。

手机:屏幕用玻璃;外壳有塑料也有金属,比如小米前些年吹的一块钢板的艺术之旅,就算今年原材料暴涨,304钢也才15000/吨 ;中板结构多用压铸铝,浇铸时流动速度快且压力大,产品强度高;主板内部结构复杂,主要由基材、铜线以及电容等部件组成,做跌落仿真时会对其结构和材料进行简化,使用等效材料参数进行模拟;手机各部件除使用过盈配合外,粘胶是非常重要的连接材料,仿真时也很重要,若关心粘胶本身是否会破坏,一般会用实体网格来模拟粘胶,若只是考虑粘胶传力,可将其简化为cohesive单元。

家电:主要承力部件使用不锈钢等金属,外壳多使用塑料,冰箱外壳和内胆间一般会填充泡沫用于隔热,外包装多使用瓦楞纸和泡沫,粘胶也广泛使用。

重工:基本全是铁块、铁板以及铁管,内饰和座椅也会涉及塑料等。

各行业常用的不锈钢、铝、铜、塑料、玻璃、橡胶、粘胶、复合材料、泡沫、瓦楞纸、木材、布料织物以及陶瓷等都使用使用材料本构呢?

现实中材料多种多样,很多时候难以得到准确的材料性能参数,对于不重要的部件,只起传力作用,不关注其受力情况,可能直接将其简化为各向同性的弹性材料;对于重点关注的部件,需要使用准确的材料本构和参数来进行模拟。

常见材料一般使用什么材料本构进行模拟呢?

  • 各向同性>弹塑性不锈钢,铝合金,铜等金属,不带玻纤的塑料,各向同性的弹塑性材料是最常用的材料本构,结构分析软件都会有。注意铸铁受拉和受压力学性能不一样,需单独定义受拉和受压状态的材料参数。不锈钢应力-应变曲线如下所示。
           
  • 拉伸实验通常首先得到的是拉力-位移曲线,通过计算公式        
           
  • 将其转换为上图所示的工程应力-应变曲线,再通过转换公式
           
    可将工程应力应变曲线转换为真实应力应变曲线。

  • 可以注意到,在弹性阶段,真实应力应变曲线和工程应力应变曲线是重合的,用工程应力应变曲线替代真实应力应变曲线也可满足精度要求。
    注意:仿真软件计算结果中的应力应变都是真实的应力应变,而非工程应力应变。
各向同性>超弹性常见材料有粘胶和橡胶,一般使用超弹性材料本构Ogden,Mooney-Rivlin,Neo-Hookean,Yeoh model等超弹性本构进行模拟;      
     
典型的超弹性材料应力应变曲线如上图所示,可以看出,小变形阶段类似于弹性材料,大变形阶段,刚度急剧增加。若不关心其本身应力,只用于传力,小变形情况下,可将其简化为弹性材料,减小计算量。      
各向同性>粘弹性泡沫,家电带包装跌落中使用较多,可使用广义Maxwell-Kelvin-Voigt模型、Boltzmann本构进行模拟,部分求解器支持直接输入工程应力-应变曲线。      
     
由上图可知,泡沫材料在小变形阶段也可以近似为线弹性材料,若不关心其本身应力,只用于传力,小变形情况下,可将其简化为弹性材料,减小计算量      
  • 正交各向异性材料:木材在纤维方向和垂直于纤维方向材料性能明显不同,且同一方向拉伸和压缩刚度不一样,可使用正交各向异性材料单独定义每个方向的材料性能参数;瓦楞纸一般呈蜂窝状,面法向和面内性能完全不一样,需单独定义三个方向的弹性模量以及泊松比,部分求解器支持直接输入各方向的工程应力应变曲线,软件可自动拟合参数,瓦楞纸一般需要专门的材料本构进行模拟,不能使用通用的正交各向异性材料本构。
  • 复合材料:飞机表面蒙皮、织物、布料一般由多层铺层材料构成,每层的厚度差不多,但材料完全不一样,因此需要单独对每层材料进行定义。
  • 率相关材料:通过拉伸实验获取应力应变曲线时,不同拉伸速度下得到的应力应变曲线可能不一样,这就是应变率相关材料。常用的不锈钢即率相应材料,应变率越大,其杨氏模量越大。在高速碰撞工况中,不同部位变形速度不一样,应变率也不一样,因此需要输入不同的应变率下的应力应变曲线,以获取准确的应力,注意不同应变率下的应力应变曲线不能相交。一般的显式求解器中都带率相关弹塑性材料本构。

           

           

           
     
应变率:应变发生的速率,即应变对时间求导      

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来源:CAE之家
Maxwell复合材料碰撞通用航空汽车材料传动
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首次发布时间:2023-05-09
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