从微观到宏观桥梁的材料本构模型，各行业仿真分析如何准确选择？

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 ；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如何使用材料本构呢？

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。

什么是材料本构？

“本构模型”这个术语源自材料力学领域，其中的”本构”（constitutive）源自拉丁语”constituere”，意为 “构成” 或 “组成”。因此，本构模型的字面意思是“构成模型”或“组成模型”。

本构模型（Constitutive Model）是一种数学模型，用于描述材料如何响应不同的物理加载和应力条件。它是材料力学和结构分析领域的重要概念，帮助工程师和研究人员理解和预测材料的行为。

这个名称反映了本构模型的基本概念，即它们是用来描述材料如何“构成”或“组成”其行为的数学模型。

材料的行为是由其组成成分、结构和性质所决定的，本构模型的任务就是描述这些组成成分在不同应力和应变条件下的响应，从而构成了材料的整体行为。

本构模型的主要目的是将材料的宏观行为与其微观结构和性质之间建立关联。通过使用数学方程或函数，本构模型可以捕捉材料的弹性、塑性、粘弹性等不同行为，并将其表达为对应力、应变、时间等的函数关系。

典型弹-塑性材料的应力-应变曲线

含义：

• 描述材料行为：本构模型用数学方程或函数来表示材料的应力-应变关系或应力-时间关系。这些模型描述了材料在不同加载条件下的反应，包括弹性、塑性、黏弹性、损伤等。
• 实验数据拟合：本构模型通常通过实验数据进行验证和拟合。实验室测试可以提供材料的应力-应变曲线或其他性质数据，而本构模型的目标是以最佳方式匹配这些实验数据。
• 预测材料行为：一旦建立了本构模型，它可以用于预测材料在未经测试的加载条件下的行为。这对于工程设计和分析非常重要，因为它允许工程师在不进行大量实际测试的情况下估算材料的性能。
• 用于有限元分析：本构模型在有限元分析中广泛使用。有限元分析是一种数值方法，用于模拟复杂结构和系统的行为。本构模型用于定义材料的行为，以便将其集成到有限元分析中。

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常用的本构模型

1.Chaboche Test Data  Uniaxial Plastic Strain Test Data

(单轴塑性应变测试数据)

2.Plasticity（塑性模型）

-Bilinear Isotropic Hardening(双线性等向强化)

-Multilinear Isotropic Hardening (多线性等向强化)

-Bilinear Kinematic Hardening(双线性随动强化)

-Multilinear Kinematic Hardening (多线性随动强化)

-Chaboche Kinematic Hardening （非线性随动强化）

-Anand Viscoplasticcity(Anand粘塑性模型)

在有限元仿真软件中，所有的弹塑性模型，必须输入材料的弹性模量和泊松比。

多线性模型

常用材料如何选择本构模型？

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。