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隨著數(shù)字化時代的到來，越來越多的企業(yè)在產(chǎn)品開發(fā)過程中傾向于用有限元仿真技術來預測產(chǎn)品服役過程中的跌落、碰撞、沖擊性能，但仿真結果的精度決定了其在產(chǎn)品開發(fā)過程中真正發(fā)揮的作用。

 

仿真精度受很多因素影響，如模型簡化程度、網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量、材料參數(shù)等。其中，材料參數(shù)是影響仿真精度最重要的影響因素之一。采用不同的材料本構和失效模型或者同樣的材料本構和失效模型采用不同的材料參數(shù)，仿真結果將大相徑庭。

 

塑料材料在汽車、家電、航空航天、電子電器等行業(yè)應用越來越廣泛，其力學性能不同于金屬材料的力學性能，塑料材料有其獨特的特點：

 

彈性模量不是常數(shù)，而是應變率的函數(shù)，同時也是塑性應變的函數(shù)；

 

在大應變時，真實應力-應變曲線的斜率增加很快；

 

塑性硬化在拉伸、壓縮、剪切工況各不相同；

 

材料的失效應變與應變率相關；

 

塑性材料會產(chǎn)生黏性應變。

 

現(xiàn)在還沒有一種材料本構能夠準確地模擬塑料材料的所有力學性能，僅為根據(jù)分析目的模擬塑料的某些特性。市面上常用的仿真軟件，如LS-DYNA用以模擬塑料的材料本構如下：

 

(1) mat_024 / mat_piecewise_linear_plastic;分段線性塑性材料，這表示材料的塑性行為遵循分段線性塑性模型，即在不同的應力水平下，材料的剛度（彈性模量）可能發(fā)生變化。 

(2) mat_123 / mat_modified_piecewise_linear_plastic;修正的分段線性塑性材料，這種材料模型與mat_024類似，但在某些方面進行了修正，以更準確地模擬材料的實際行為。 

(3) mat_124 / mat_plasticity_compression_tension;壓縮-拉伸塑性材料，這種材料模型考慮了材料在壓縮和拉伸狀態(tài)下的不同塑性行為，可能在壓縮時表現(xiàn)出不同的屈服應力。

(4) mat_089 / mat_plasticity_polymer;聚合物塑性材料，這個材料模型用于模擬聚合物材料的塑性行為，這些材料在塑性變形時可能表現(xiàn)出非線性應力-應變關系。

(5) mat_101 / mat_geplastic_srate_2000a;粘塑性速率敏感材料，這種材料模型考慮了材料塑性變形速率對材料行為的影響。

(6) mat_187 / mat_samp-1.用于聚合物的半解析材料模型，將拉伸、剪切、壓縮和雙向拉伸四個屈服實驗點擬合得到屈服面，支持隱式和顯式，粘塑性沿松比隨塑性應變改變，失效應變隨著應變率變化，隨應力狀態(tài)改變。

(7) mat_169 / MAT_ARUP_ADHESIVE;定義膠黏劑材料，結構中的膠粘結合，塑性模型不是體積守恒的，避免使用傳統(tǒng)彈性-塑性材料模擬膠接時可能出現(xiàn)的虛假高拉伸應力。

 

國外一些汽車公司使用 mat_187 / mat_samp-1 材料本構模擬塑料材料進行 CAE 分析，該材料本構與試驗結果吻合度較高，因此使用該材料本構模擬汽車塑料零件的材料性能。

 

mat_187 的性能如下：

 

該材料本構用于模擬各向同性、內(nèi)部無纖維加強的塑料；

 

拉伸和壓縮使用不同的屈服面；

 

可以考慮基于應變率的材料失效；

 

殼單元與體單元均可使用該材料本構；

 

材料中使用的單軸應變并不等同于塑性應變；

 

材料拉伸性能必須定義，壓縮、剪切性能選擇性進行定義，也可不定義。

 

① 若僅定義材料拉伸特性，與 mat_24 類似，使用 Von Mises屈服面，僅需一條特性曲線；

 

② 若同時定義材料拉伸、壓縮特性，使用 Drucker-Prager屈服面，需要兩條特性曲線； 

 

③ 若定義拉伸、壓縮、剪切、多軸材料特性，使用 Isotropic Quadratic屈服面，需要多條特性曲線。

 

在CAE仿真中，應該根據(jù)實際的分析需要來選擇合適的材料本構進行模擬。雖然使用 mat_187 可以很好地模擬塑料材料的性能，但所需定義的參數(shù)眾多，需要多次試驗才能獲取。如果是在塑料零件對整體分析結果影響不大（如整車碰撞分析中的塑料內(nèi)飾件）的情況下，使用 mat_24 就可以很好地模擬材料特性；如果是在塑料零件對整體分析結果影響較大（如行人保護分析中的前蒙皮等塑料件）的情況下，可以考慮使用 mat_187 來模擬材料特性。

 

MAT_24號材料卡片生成一般包括如下力學試驗：

 

1） 準靜態(tài)拉伸試驗

 

準靜態(tài)拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。

 

2） 中應變率拉伸試驗

 

中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5組，試驗重復率或5組。

 

MAT187號材料卡片生成一般包括如下力學試驗：

 

1） 準靜態(tài)拉伸試驗

 

準靜態(tài)拉伸試驗，應變速率是0.001/s、0.1/s，2組，試驗重復至少5組。

 

2） 中應變率拉伸試驗

 

中應變率拉伸試驗，應變速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5組，試驗重復率在5個。

 

3） 壓縮試驗

 

準靜態(tài)壓縮試驗，應變速率是0.001/s、0.01/s，2組，試驗重復至少5組。

 

4） 三點彎曲試驗

 

非金屬高速三點彎曲試驗，試驗速度在是50mm/s、150mm/s，300mm/s，試驗重復率在3個。

 

5） 高速穿孔試驗

 

對于該試驗，沖擊速度在10,mm/min。

 

如果需要考慮材料失效模型，比如GISSMO，DIEM，MMC或Johnson-Cook模型，則需要再多做一些其他試驗，并根據(jù)仿真軟件不同的材料本構要求，可能會涉及到材料各向異性的樣件取樣，及不同溫度下的材料力學性能測試。