做汽车碰撞、零部件冲击、消费电子跌落等仿真时，很多工程师都会遇到一个问题：

材料厂家已经提供了拉伸曲线，为什么还要重新做材料测试和材料卡片标定？

核心原因在于：

厂家提供的是“材料性能数据”，而CAE求解器真正需要的是“能够描述材料在不同载荷状态、不同应变率和失效条件下真实响应的本构模型参数”。

对于高分子材料，这个差别尤其明显。

高分子材料通常具有明显的应变率敏感性、拉压不对称、温度相关性及复杂失效行为。因此，一张工程可用的材料卡片，通常不是简单把一条拉伸曲线填入模型，而是要经历：

试验测试 → 数据处理 → 模型选择 → 参数识别 → 材料卡片生成 → 仿真验证

下面从工程应用角度，对高分子材料卡片的测试与标定逻辑进行梳理。

一、先搞清楚：材料模型、材料卡片和K文件不是一回事

这三个概念在实际项目中经常混用。

1. 材料模型

材料模型是描述材料受力后如何响应的一组数学关系。

例如常见的：

• MAT24
• MAT187
• MAT169
• MAT83
• MAT55
• GISSMO损伤模型

它们解决的是：

“用什么数学形式描述这种材料？”

2. 材料卡片

材料卡片是在选定材料模型后，根据真实材料试验数据标定得到的一组具体参数。

比如：

某一种PA66-GF材料选择MAT187后，需要通过拉伸、压缩、剪切、不同应变率等测试获得数据，再将这些数据转化为具体模型参数。

因此：

材料模型是框架，材料卡片是某一种真实材料在这个框架下的参数化结果。

3. K文件

K文件是LS-DYNA中的Keyword输入文件。

完整K文件通常不仅包含材料定义，还包括：

• 节点和单元；
• PART；
• SECTION；
• 接触；
• 边界条件；
• 载荷；
• 控制参数；
• 材料参数等。

所以：

材料卡片只是完整K文件中的一部分。

如果项目只做材料参数测试和标定，交付物可以是材料参数或Keyword格式的材料定义数据，并不意味着一定包含完整有限元模型。

二、为什么不能直接用厂家提供的一条拉伸曲线？

这是高分子材料卡片项目中最常见的问题。

1. 应变率不一样

普通材料拉伸通常是准静态测试。

但汽车碰撞、跌落、冲击等场景中，材料加载速度明显更高。

许多工程塑料在不同应变率下会表现出不同的：

• 屈服应力；
• 弹塑性响应；
• 硬化行为；
• 断裂应变。

如果材料具有明显的应变率敏感性，却只采用准静态数据，碰撞仿真中的材料行为就可能出现明显偏差。

2. 实际结构不是单轴拉伸

真实结构件在碰撞中可能同时经历：

• 拉伸；
• 压缩；
• 剪切；
• 弯曲；
• 多轴应力；
• 局部冲孔；
• 断裂。

而高分子材料常常还存在明显的拉压不对称。

因此：

一条单轴拉伸曲线很难完整描述真实结构中的材料行为。

3. 厂家通常不会给完整失效参数

结构碰撞不仅关心“怎么变形”，还关心：

“什么时候开始损伤？”

“什么时候断裂？”

“断裂以后怎么演化？”

这些问题通常需要不同应力状态下的失效试验才能建立。

比如GISSMO类失效模型，就不能仅靠一条标准拉伸曲线完成标定。

三、高分子材料卡片通常需要做哪些测试？

具体测试矩阵取决于：

材料类型 + 目标模型 + 仿真工况 + 应变率 + 温度 + 是否考虑失效

常见测试可以分为以下几类。

测试项目常用标准/参考方法主要获取参数典型用途塑料准静态拉伸	ISO 527-1/2、ASTM D638	弹性模量、屈服、应力—应变、断裂应变	基础本构数据
高应变率拉伸	ISO 18872等	不同应变率下应力—应变响应	碰撞、冲击、跌落
塑料压缩	ISO 604、ASTM D695	压缩屈服及压缩响应	MAT187、泡沫等
塑料弯曲	ISO 178、ASTM D790	弯曲模量、弯曲响应	模型验证
仪器化穿刺冲击	ISO 6603-2	冲击力—位移、吸能、破坏行为	动态失效、验证
复合材料拉伸	ISO 527-4/5、ASTM D3039	不同方向模量、强度、失效应变	复合材料模型
复合材料压缩	ASTM D3410 / D6641	压缩强度、压缩模量	复合材料模型
复合材料剪切	ASTM D5379 / D7078	剪切应力—应变、剪切强度	复材参数
DIC全场应变	与对应力学试验配合	局部应变场、颈缩和失效区域	参数反演、失效标定

需要注意的是：

标准试验并不等于材料卡片试验矩阵。

实际项目中，还需要结合目标材料模型调整试样形式、加载速率、应变测量方法及失效工况。

四、MAT24什么时候适合用？

MAT24对应分段线性弹塑性模型，是工程仿真中常见的一类材料模型。

它的优点是：

• 参数相对简单；
• 工程应用成熟；
• 可以描述塑性硬化；
• 可以加入应变率相关数据。

对于以下场景，MAT24通常具有较好的工程适用性：

• 普通结构件快速评估；
• 主要关注整体刚度与变形；
• 材料拉压差异不明显；
• 不要求非常复杂的压力相关屈服行为。

常见输入数据包括：

• 密度；
• 弹性模量；
• 泊松比；
• 不同应变率下应力—应变曲线；
• 必要的失效参数。

但对于复杂高分子材料，MAT24不一定能够充分描述其真实行为。

五、为什么高分子精细碰撞常用MAT187？

MAT187，即SAMP-1，是针对聚合物复杂行为建立的一类材料模型。

相较简单弹塑性模型，它可以进一步考虑：

• 拉伸和压缩不对称；
• 压力相关屈服；
• 多应力状态；
• 塑性体积变化；
• 应变率效应；
• 损伤及失效行为。

因此，在汽车碰撞、工程塑料冲击等场景中，经常会考虑MAT187。

其测试数据通常可能涉及：

• 单轴拉伸；
• 单轴压缩；
• 剪切；
• 不同应变率；
• DIC；
• 不同应力状态下的失效试验。

但需要特别注意：

不是所有MAT187项目都必须做完全相同的一套试验。

应根据具体材料特性和工程精度要求确定测试矩阵。

六、结构胶、泡沫和复合材料为什么要使用不同模型？

这是材料卡片选择中很容易被忽略的一点。

不同材料的主导变形机制完全不同。

1. 结构胶：MAT169等

结构胶主要需要描述：

• 拉伸；
• 剪切；
• 混合加载；
• 损伤；
• 断裂能；
• 应变率影响。

因此不能简单照搬普通工程塑料的建模逻辑。

典型应用包括：

• 汽车结构胶；
• 电池包胶黏连接；
• 多材料连接；
• 金属—复材连接。

2. 泡沫：MAT83等

泡沫材料的核心行为通常是：

• 压缩压溃；
• 吸能；
• 卸载回弹；
• 应变率相关。

因此材料卡片往往更依赖完整的压缩曲线及动态响应数据。

典型材料包括：

• EPP；
• EPS；
• PU泡沫；
• 缓冲吸能材料。

3. 复合材料：MAT55等

复合材料与均质塑料最大的区别之一，是其明显的：

• 各向异性；
• 纤维方向效应；
• 基体损伤；
• 纤维断裂；
• 剪切失效；
• 层间损伤。

因此需要根据铺层及材料方向分别获取数据。

七、GISSMO解决的是“什么时候断”

如果仿真只需要看材料变形，本构模型可能已经够用。

但如果要模拟：

• 开裂；
• 局部破坏；
• 单元失效；
• 吸能失效；

就需要进一步建立损伤与失效模型。

GISSMO类模型的重要特点是：

材料断裂不能只用一个固定“失效应变”描述。

材料在不同应力状态下，断裂应变通常不同。

因此可能需要：

• 光滑拉伸；
• 缺口拉伸；
• 剪切；
• 冲孔；
• 动态失效；

等不同试验，建立失效行为与应力状态之间的关系。

八、从试验到材料卡片，一般要经过哪些步骤？

完整材料卡片项目通常不是“测完直接交曲线”，而是一个闭环过程：

材料与应用需求确认

↓

选择目标材料模型

↓

设计测试矩阵

↓

准静态 / 动态 / 多应力状态试验

↓

DIC及实验数据处理

↓

工程应力—应变向真实材料数据转换

↓

本构参数识别与反演

↓

材料卡片生成

↓

单元级或结构级仿真验证

↓

材料卡片及技术报告交付

其中最容易被忽略的是：

仿真验证。

如果只完成测试和参数拟合，却没有通过独立工况验证，很难判断材料卡片是否真正具有工程适用性。

九、工程项目中最常见的5个错误

错误1：直接使用工程应力—应变曲线

大变形阶段需要根据模型需求进行数据转换和处理。

错误2：只测一个应变率

如果材料对应变率明显敏感，只用准静态数据难以描述碰撞或冲击行为。

错误3：用拉伸数据代替压缩和剪切

对存在明显拉压不对称的高分子材料，这种做法容易产生模型偏差。

错误4：标定和验证使用同一组数据

这样只能说明参数“拟合得好”，不能说明模型具有预测能力。

建议保留独立验证工况。

错误5：认为模型越复杂越好

模型越复杂，意味着：

• 参数越多；
• 测试需求越多；
• 标定难度越高；
• 数据质量要求越高。

因此材料模型应该遵循：

满足工程目标即可，而不是越复杂越好。

十、不同材料可以怎样快速选择模型？

可以先按下面的逻辑初步判断：

材料/场景可重点关注的模型方向普通工程塑料	MAT24
高分子复杂碰撞	MAT187
结构胶	MAT169等
EPP/EPS/PU泡沫	MAT83等
玻纤/碳纤复合材料	MAT55及其他复材模型
碰撞断裂和渐进损伤	GISSMO等失效模型

但这只是初步选择。

最终模型仍然需要结合：

• 材料类型；
• 仿真目标；
• 实际载荷；
• 应变率；
• 温度；
• 所需精度；

综合确定。

十一、结语

高分子材料卡片的核心价值，并不是生成一个“参数文件”。

更重要的是建立：

真实材料行为 → 实验数据 → 本构模型 → 仿真预测

之间可靠的对应关系。

尤其是在汽车碰撞、消费电子跌落、新能源电池包冲击以及复合材料结构安全等场景下，材料数据质量和模型选择会直接影响最终仿真结果的可信度。

国高材分析测试中心可针对工程塑料、结构胶、泡沫及复合材料等开展材料参数测试、本构参数识别和材料卡片标定，并根据项目需求开展材料模型验证。

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