Langkau tajuk talian

Data Bahan

Dalam FrontISTR, "bahan" ialah unit bernama yang digunakan untuk mengurus sebagai satu kumpulan data sifat bahan yang diberikan kepada unsur. Secara khusus, ia mengumpulkan nilai sifat seperti pemalar elastik, ketumpatan dan kekonduksian haba, serta parameter hukum konstitutif bagi elastoplastisiti, viskoelastisiti, rayapan dan model seumpamanya, di bawah satu nama. Pemberian kepada kumpulan unsur dilakukan dengan !SECTION, yang mengaitkan jenis unsur (pepejal, cangkerang, antara muka dan sebagainya) dengan nama bahan. Kandungan bahan itu sendiri ditakrifkan sama ada oleh !MATERIAL dalam data mesh atau oleh blok !MATERIAL dalam data kawalan analisis.

Kekangan pada data bahan ditentukan oleh tiga faktor: jenis analisis, jenis unsur dan cara bahan ditentukan dalam fail input. Bahagian berikut mula-mula merumuskan kesepadanan antara model bahan yang tersedia, jenis unsur dan jenis analisis (Gambaran Keseluruhan Ciri), kemudian menerangkan cara memilih antara model bahan (Memilih Model Bahan), dan akhirnya menerangkan spesifikasi setiap model (Keanjalan Linear dan bahagian seterusnya). Lihat rujukan kata kunci untuk sintaks dan nilai lalai kata kunci individu.

Gambaran Keseluruhan Ciri

Data bahan secara umum boleh dibahagikan kepada model bahan mekanik yang digunakan dalam analisis struktur dan sifat terma yang digunakan dalam analisis konduksi haba dan tegasan terma. Dalam analisis struktur, pilih keanjalan linear, hiperkeanjalan, elastoplastisiti, viskoelastisiti, rayapan atau bahan takrifan pengguna mengikut aplikasi. Setiap satunya ialah hukum konstitutif bebas; model elastoplastik, viskoelastik dan rayapan menggunakan keanjalan linear dalam bahan yang sama bagi bahagian elastik (hiperkeanjalan menggunakan fungsi tenaga terikannya sendiri dan oleh itu tidak merujuk kekakuan elastik linear). Dalam analisis konduksi haba, ketumpatan, haba tentu dan kekonduksian haba diberikan kepada unsur.

Kategori Aplikasi utama Kata kunci input utama Rujukan utama
Keanjalan linear Analisis linear ubah bentuk kecil, analisis modal, analisis dinamik linear, bahagian elastik bahan tak linear !ELASTIC, !MATERIAL ITEM=1 !ELASTIC, !MATERIAL (data mesh)
Hiperkeanjalan Tindak balas elastik ubah bentuk besar bahan seakan getah dan sebagainya !HYPERELASTIC !HYPERELASTIC
Elastoplastisiti Terikan kekal selepas luluh, keplastikan logam, bahan geo !PLASTIC !PLASTIC
Viskoelastisiti Tindak balas bergantung masa dengan relaksasi atau kelewatan !VISCOELASTIC, !TRS !VISCOELASTIC, !TRS
Rayapan Ubah bentuk yang berkembang mengikut masa di bawah tegasan !CREEP !CREEP
Sifat terma Analisis konduksi haba, analisis tegasan terma !MATERIAL ITEM=13, !EXPANSION_COEFF !EXPANSION_COEFF
Bahan takrifan pengguna Hukum konstitutif yang dilaksanakan pengguna !USER_MATERIAL, !ELASTIC TYPE=USER, !HYPERELASTIC TYPE=USER, !PLASTIC YIELD=USER !USER_MATERIAL

Dalam analisis struktur, jika bahan dengan nama yang sama ditakrifkan dalam data mesh dan data kawalan analisis, takrif dalam data kawalan analisis diberi keutamaan. Walau bagaimanapun, takrif bahan dalam data mesh itu sendiri masih diperlukan; apabila bahan dengan nama yang sama ditakrifkan dalam data kawalan analisis, nilai pada bahagian data mesh tidak dirujuk dan oleh itu boleh berupa nilai dummy. Sebaliknya, dalam analisis konduksi haba, spesifikasi bahan dalam data kawalan analisis tidak disokong, dan nilai yang ditentukan dalam data mesh digunakan sebagaimana adanya.

Sokongan mengikut jenis analisis boleh dirumuskan seperti berikut. Analisis statik linear, analisis modal dan analisis dinamik linear menggunakan keanjalan linear. Analisis statik tak linear dan dinamik tak linear yang menggunakan unsur pepejal kontinum tiga dimensi boleh menggunakan hiperkeanjalan, elastoplastisiti, viskoelastisiti, rayapan dan bahan takrifan pengguna berasaskan keanjalan linear. Analisis konduksi haba menggunakan ketumpatan, haba tentu dan kekonduksian haba dan bukannya model bahan struktur. Lihat Jenis Analisis untuk gambaran keseluruhan jenis analisis.

Terdapat juga sekatan mengikut jenis unsur. Unsur pepejal kontinum tiga dimensi boleh menggunakan model bahan tak linear untuk analisis struktur. Unsur tegasan satah, terikan satah dan paksi simetri terutamanya menggunakan keanjalan linear; keluarga unsur dua dimensi ini tidak menyokong elastoplastisiti, hiperkeanjalan, viskoelastisiti atau rayapan. Unsur cangkerang menyokong keanjalan linear dan boleh ditentukan sebagai satu lapisan atau berlamina, isotropik atau anisotropik. Unsur cangkerang tidak menyokong elastoplastisiti, hiperkeanjalan, viskoelastisiti atau rayapan. Unsur antara muka digunakan untuk memodelkan pemindahan haba jurang dan sinaran dalam analisis konduksi haba; parameter jurang ditentukan pada baris data !SECTION, bukan sebagai data bahan. Lihat juga Pustaka Unsur untuk contoh pengaitan dengan kumpulan unsur dan input lamina.

Jadual berikut merumuskan ketersediaan model bahan mengikut jenis unsur.

Jenis unsur Keanjalan linear (isotropik) Keanjalan linear (ortotropik/berlamina) Hiperkeanjalan Elastoplastisiti Viskoelastisiti Rayapan Sifat terma
Pepejal 3D
Tegasan satah / terikan satah / paksi simetri
Cangkerang (satu lapisan/berlamina)
Rasuk / kekuda
Antara muka

(Simbol: ○ tersedia / — tidak disokong). Bagi unsur antara muka, sifat terma untuk pemindahan haba jurang dan sinaran ditentukan dengan !SECTION.

Terdapat dua laluan untuk mentakrifkan bahan. Dalam data mesh, !SECTION mengaitkan kumpulan unsur dengan nama bahan, manakala !MATERIAL dan !ITEM mentakrifkan sifat bahan. Dalam data kawalan analisis, model bahan ditakrifkan dengan meletakkan !ELASTIC, !HYPERELASTIC, !PLASTIC dan kata kunci seumpamanya di dalam blok !MATERIAL. Jika !MATERIAL ditakrifkan dalam data kawalan analisis, takrif tersebut digunakan menggantikan takrif bahan bernama sama dalam data mesh. Lihat !SECTION (data mesh) dan !MATERIAL (data mesh) untuk butiran !SECTION dan !MATERIAL pada bahagian data mesh. Lihat !MATERIAL (data kawalan analisis) untuk blok bahan pada bahagian data kawalan analisis.

Memilih Model Bahan

Apabila memilih model bahan, mula-mula tentukan sama ada keanjalan linear mencukupi. Gunakan keanjalan linear apabila ubah bentuk kecil, tegasan tidak melebihi titik luluh, dan relaksasi atau rayapan bergantung masa tidak perlu dipertimbangkan. Pilih hiperkeanjalan untuk tindak balas elastik ubah bentuk besar, elastoplastisiti untuk terikan plastik selepas luluh, viskoelastisiti untuk bahan dengan masa relaksasi, dan rayapan untuk ubah bentuk yang berkembang semasa penahanan beban jangka panjang.

Ciri masalah Calon model bahan Garis panduan
Ubah bentuk kecil dengan hubungan tegasan-terikan linear Keanjalan linear Apabila modulus Young dan nisbah Poisson mencukupi
Kembali ke bentuk asal selepas pelepasan beban walaupun di bawah ubah bentuk besar Hiperkeanjalan Bahan seakan getah atau kes yang memerlukan potensi elastik tak linear
Terikan kekal selepas melebihi titik luluh Elastoplastisiti Apabila fungsi luluh dan hukum pengerasan perlu dipilih
Relaksasi tegasan atau tindak balas tertunda berlaku semasa beban dikekalkan Viskoelastisiti Apabila tingkah laku boleh diwakili oleh pekali relaksasi dan masa relaksasi
Terikan terkumpul di bawah pembebanan jangka panjang Rayapan Apabila hukum Norton memberikan penghampiran yang memadai
Tidak boleh diwakili oleh model terbina dalam Bahan takrifan pengguna Apabila melaksanakan hukum konstitutif dalam subrutin luaran

Apabila kebergantungan suhu diperlukan, periksa sokongan bagi setiap model bahan. Keanjalan linear, rayapan dan pekali pengembangan terma menyokong jadual bergantung suhu. Viskoelastisiti menggunakan anjakan suhu melalui !TRS, bukannya interpolasi suhu bagi pekali Prony itu sendiri. Bagi elastoplastisiti, jadual bergantung suhu tersedia apabila pengerasan multilinear digunakan dengan luluh Mises. Mohr-Coulomb dan Drucker-Prager tidak menyokong kebergantungan suhu.

Apabila anisotropi atau lamina diperlukan, pertimbangkan juga jenis unsur. Unsur pepejal menyokong keanjalan linear ortotropik. Dalam lingkungan keanjalan linear, unsur cangkerang menyokong bahan isotropik satu lapisan, anisotropik satu lapisan, isotropik berlamina dan anisotropik berlamina. Model bahan tak linear tidak boleh digunakan dengan unsur cangkerang.

Bagi bahan hampir tak termampat, jangan tetapkan nisbah Poisson kepada 0.5. FrontISTR tidak menyokong spesifikasi bahan tak termampat sempurna. Dalam masalah ubah bentuk besar yang ketakmampatan mempunyai pengaruh kuat, pemilihan formulasi unsur juga penting; periksa juga pilihan formulasi dalam Pustaka Unsur.

Keanjalan Linear

Keanjalan linear ialah model bahan paling asas dalam analisis struktur FrontISTR. Analisis statik linear, analisis modal dan analisis dinamik linear menggunakan keanjalan linear. Apabila elastoplastisiti, viskoelastisiti atau rayapan digunakan, keanjalan linear turut ditakrifkan dalam bahan yang sama bagi bahagian elastik. → Lihat !ELASTIC untuk butiran.

Bagi keanjalan linear isotropik, tentukan modulus Young dan nisbah Poisson. Apabila kebergantungan suhu diperlukan, modulus Young dan nisbah Poisson boleh dijadualkan sebagai fungsi suhu. Bagi ortotropi, tentukan sejumlah sembilan pemalar bebas: modulus Young dalam tiga arah, tiga nisbah Poisson dan tiga modulus ricih. Oleh sebab ortotropi memerlukan sistem koordinat bahan, tentukan sistem koordinat setempat dalam !SECTION yang sepadan.

Untuk menentukan keanjalan linear dalam data mesh, gabungkan !SECTION dan !MATERIAL. Dalam contoh berikut, bahan ALL diberikan kepada kumpulan unsur pepejal M1; ITEM=1 mentakrifkan modulus Young dan nisbah Poisson, ITEM=2 mentakrifkan ketumpatan jisim, dan ITEM=3 mentakrifkan pekali pengembangan terma linear.

!SECTION, TYPE=SOLID, EGRP=ALL, MATERIAL=M1

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=3
!ITEM=1, SUBITEM=2
  4000., 0.3
!ITEM=2
  8.0102E-10
!ITEM=3
  1.0E-5

Bagi unsur cangkerang, takrif satu lapisan dan berlamina kedua-duanya tersedia dalam keanjalan linear. Gunakan SUBITEM=4 untuk bahan isotropik satu lapisan dan SUBITEM=9 untuk bahan anisotropik satu lapisan. Bagi lamina, letakkan pemalar bahan dan pemberat lapisan untuk semua lapisan dalam !ITEM yang sama. Pemberat lapisan dinormalkan dengan jumlahnya dan digunakan sebagai pemberat pengamiran sepanjang ketebalan. Ketebalan fizikal keseluruhan cangkerang ditentukan oleh ketebalan dalam !SECTION, TYPE=SHELL.

Berikut ialah contoh cangkerang satu lapisan dengan bahan isotropik.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=4
0, 200000, 0.3, 2.0

Berikut ialah contoh cangkerang berlamina dua lapisan dengan bahan isotropik.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=7
0, 200000, 0.3, 2.0, 200000, 0.3, 2.0

Berikut ialah contoh cangkerang satu lapisan dengan bahan anisotropik. Sudut anisotropi ditentukan dalam darjah.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=9
1, 28600., 0.15, 32.3, 28600., 12434., 12434., 12434., 0.0

Berikut ialah contoh cangkerang berlamina dua lapisan dengan bahan anisotropik.

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=1
!ITEM=1, SUBITEM=17
1, 28600., 0.15, 32.3, 28600., 12434., 12434., 12434., 0.0,
   28600., 0.15, 32.3, 28600., 12434., 12434., 12434., 0.0

Hiperkeanjalan

Hiperkeanjalan ialah model bahan elastik tak linear yang tegasan ditakrifkan daripada fungsi tenaga terikan. Ia digunakan untuk bahan seakan getah yang kembali ke bentuk asal selepas beban dilepaskan walaupun selepas ubah bentuk besar. Dalam input, di dalam blok !MATERIAL, nyatakan !HYPERELASTIC. → Lihat !HYPERELASTIC untuk butiran.

FrontISTR menyokong model hiperelastik berikut. Model OGDEN tidak disokong.

Model Jenis input Pekali utama Ciri
Neo-Hookean NEOHOOKE \(C_{10}\), \(D\) Model hiperelastik isotropik ringkas yang sepadan dengan \(C_{01}=0\) dalam Mooney-Rivlin
Mooney-Rivlin MOONEY-RIVLIN \(C_{10}\), \(C_{01}\), \(D\) Model hiperelastik isotropik yang menggunakan dua invarian terkurang
Arruda-Boyce ARRUDA-BOYCE \(\mu\), \(\lambda_m\), \(D\) Model bahan seakan getah berdasarkan rangkaian rantai molekul
Mooney-Rivlin anisotropik MOONEY-RIVLIN-ANISO Sepuluh pekali dibaca daripada input, tetapi hukum konstitutif semasa menggunakan lima yang pertama Model yang mewakili tindak balas hiperelastik anisotropik seperti arah gentian
Hiperkeanjalan takrifan pengguna USER Pemalar pengguna Model yang hukum konstitutif hiperelastiknya dilaksanakan dalam subrutin luaran

Hiperkeanjalan menggunakan pekali \(D\) yang berkaitan dengan perubahan isipadu untuk mewakili kebolehmampatan. Bahan tak termampat sempurna tidak disokong, jadi jangan gunakan spesifikasi yang sepadan dengan nisbah Poisson \(\nu=0.5\). Bagi bahan hampir tak termampat, bukan sahaja pekali model hiperelastik tetapi juga formulasi unsur yang akan digunakan perlu dipilih.

Hiperkeanjalan dikendalikan secara lalai dalam rangka kerja Total Lagrange. Lihat Hiperkeanjalan (Teori) untuk takrif fungsi tenaga terikan, tegasan dan kekakuan tangen.

Elastoplastisiti

Elastoplastisiti memisahkan kawasan elastik dan plastik menggunakan fungsi luluh dan mewakili tindak balas selepas luluh dengan hukum pengerasan. Dalam input, dalam blok !MATERIAL yang sama, gabungkan !ELASTIC dan !PLASTIC. → Lihat !PLASTIC untuk butiran.

Dalam FrontISTR, model elastoplastik ditentukan dengan menggabungkan fungsi luluh dan hukum pengerasan. Julat yang disokong adalah seperti berikut.

Fungsi luluh Jenis input Hukum pengerasan yang disokong Aplikasi utama
Mises MISES BILINEAR, MULTILINEAR, SWIFT, RAMBERG-OSGOOD, KINEMATIC, COMBINED Luluh isotropik seperti dalam logam
Mohr-Coulomb MOHR-COULOMB BILINEAR, MULTILINEAR Bahan tanah dan batuan yang diwakili oleh sudut geseran dan kohesi
Drucker-Prager DRUCKER-PRAGER BILINEAR, MULTILINEAR Luluh bergantung tekanan yang menghampiri Mohr-Coulomb secara licin
Luluh takrifan pengguna USER Takrifan pengguna Apabila melaksanakan kekakuan tangen dan pemetaan kembali dalam subrutin luaran

Pengerasan multilinear dengan luluh Mises menyokong jadual bergantung suhu. Pengerasan bilinear, pengerasan Swift, pengerasan Ramberg-Osgood, pengerasan kinematik dan pengerasan gabungan dengan luluh Mises dinilai sebagai ungkapan malar. Mohr-Coulomb dan Drucker-Prager tidak menyokong kebergantungan suhu. Apabila pengerasan multilinear digunakan, input mesti memastikan terikan plastik tidak negatif dan terikan plastik pertama ialah 0.

Unsur cangkerang, tegasan satah, terikan satah dan paksi simetri tidak menyokong elastoplastisiti. Gunakan unsur pepejal kontinum tiga dimensi untuk bahan elastoplastik.

Elastoplastisiti dikendalikan secara lalai dalam rangka kerja Updated Lagrange. Jika !PLASTIC ditentukan untuk INFINITESIMAL, ia dianggap sebagai hukum konstitutif ubah bentuk kecil. Kemas kini tegasan menggunakan pengamiran berasaskan pemetaan kembali; lihat Elastoplastisiti (Teori) untuk butiran algoritma.

Viskoelastisiti

Viskoelastisiti ialah model bahan yang menambahkan relaksasi bergantung masa kepada tindak balas elastik. FrontISTR mengambil model Maxwell teritlak sebagai siri Prony. Dalam blok !MATERIAL yang sama, takrifkan !ELASTIC dan !VISCOELASTIC. → Lihat !VISCOELASTIC untuk butiran.

Bagi siri Prony, nyatakan pasangan pekali relaksasi dan masa relaksasi pada beberapa baris. Masa relaksasi 0 tidak boleh ditentukan. Untuk mengambil kira kebergantungan suhu, letakkan !TRS selepas !VISCOELASTIC dan tentukan faktor anjakan suhu. → Lihat !TRS untuk butiran.

Anjakan suhu menyokong bentuk WLF dan Arrhenius, yang kedua-duanya mentakrifkan faktor anjakan \(A\) sebagai fungsi suhu analisis \(\theta\) dan suhu rujukan \(\theta_0\). Dalam kedua-dua kes, input membekalkan dua pemalar bahan (C1, C2) dan suhu rujukan, tetapi maknanya bergantung pada model anjakan yang dipilih (dua pekali persamaan Williams-Landel-Ferry untuk bentuk WLF, dan dua pekali berkaitan tenaga pengaktifan untuk bentuk Arrhenius). Lihat manual teori Viskoelastisiti untuk bentuk fungsi khusus dan penerbitan faktor anjakan.

Rayapan

Rayapan ialah model bahan untuk ubah bentuk yang berkembang mengikut masa di bawah beban malar atau tegasan malar. !CREEP FrontISTR menyokong hukum Norton. Dalam blok !MATERIAL yang sama, takrifkan !ELASTIC dan !CREEP. → Lihat !CREEP untuk butiran.

Dalam hukum Norton, kadar terikan rayapan diwakili oleh ungkapan hukum kuasa bagi tegasan setara, masa dan pemalar bahan \(A\), \(n\), dan \(m\) (lihat manual teori Rayapan untuk bentuk fungsi khusus). Pemalar bahan menyokong jadual bergantung suhu, maka nilai boleh ditentukan bagi setiap suhu.

!CREEP untuk TYPE=USER tidak disokong. Gunakan bahan takrifan pengguna apabila melaksanakan hukum konstitutif tersuai yang merangkumi rayapan.

Sifat Bahan untuk Analisis Konduksi Haba

Analisis konduksi haba mentakrifkan ketumpatan, haba tentu dan kekonduksian haba dan bukannya bahan elastik dan plastik yang digunakan dalam analisis struktur. Bagi unsur pautan, satah, pepejal dan cangkerang, gunakan !MATERIALITEM=1 hingga 3 dalam data mesh. Sifat terma boleh dibekalkan sebagai jadual bergantung suhu.

Dalam contoh berikut, ketumpatan, haba tentu dan kekonduksian haba ditakrifkan bagi bahan M1 sebagai data bergantung suhu. Selepas SECTION memberikan bahan ALL kepada kumpulan unsur pepejal M1, !MATERIAL dengan ITEM=1 memberikan ketumpatan, ITEM=2 memberikan haba tentu, dan ITEM=3 memberikan kekonduksian haba, masing-masing dipasangkan dengan suhu.

!SECTION, TYPE=SOLID, EGRP=ALL, MATERIAL=M1

!MATERIAL, NAME=M1, ITEM=3
!ITEM=1, SUBITEM=1
7850., 300.
7790., 500.
7700., 800.
!ITEM=2
0.465, 300.
0.528, 500.
0.622, 800.
!ITEM=3
43., 300.
38.6, 500.
27.7, 800.

Bagi unsur antara muka, data bahan tidak digunakan; baris data !SECTION, TYPE=INTERFACE menentukan lebar jurang, pekali pemindahan haba jurang dan pekali sinaran.

!SECTION, TYPE=INTERFACE, EGRP=GAP
1.0, 20.15, 8.99835E-9, 8.99835E-9

Bagi analisis konduksi haba unsur cangkerang, sifat terma ditentukan dengan bahan !MATERIAL, sama seperti unsur pepejal. Ketebalan cangkerang dan bilangan titik kamiran sepanjang ketebalan ditentukan pada bahagian !SECTION.

Analisis tegasan terma mentakrifkan pekali pengembangan terma linear untuk mengira terikan terma daripada medan suhu. Pekali pengembangan terma isotropik dan ortotropik disokong, termasuk kebergantungan suhu. → Lihat !EXPANSION_COEFF untuk butiran. Untuk menentukan ketumpatan jisim yang digunakan dalam analisis struktur atau dinamik pada bahagian data kawalan analisis, lihat !DENSITY. Ketumpatan bagi analisis konduksi haba ditentukan dengan data mesh !MATERIAL ITEM=1 seperti yang ditunjukkan di sini.

Bahan Takrifan Pengguna

Bahan takrifan pengguna menyediakan titik masuk untuk melaksanakan, dalam subrutin luaran, hukum konstitutif yang tidak boleh diwakili oleh model bahan terbina dalam FrontISTR. Dalam input, !USER_MATERIAL menentukan bilangan pemboleh ubah keadaan dan pemalar pengguna. → Lihat !USER_MATERIAL untuk butiran.

!USER_MATERIAL secara lalai dianggap sebagai hukum konstitutif jenis Updated Lagrange dan dianggap sebagai jenis Total Lagrange apabila KIRCHHOFF ditentukan. Bilangan pemboleh ubah keadaan ditentukan oleh NSTATUS. Sehingga 100 pemalar pengguna boleh dihantar pada baris data. Pemalar dan pemboleh ubah keadaan ini digunakan sebagai pemboleh ubah dalaman hukum konstitutif dalam subrutin pengguna.

Dengan !USER_MATERIAL, laksanakan hukum konstitutif itu sendiri dalam uMatlMatrix dan uUpdate. uMatlMatrix mengembalikan kekakuan tangen bahan, dan uUpdate mengemas kini tegasan dan pemboleh ubah keadaan. Untuk keanjalan pengguna di bawah ubah bentuk kecil, gunakan !ELASTIC, TYPE=USER; untuk model hiperelastik pengguna, gunakan !HYPERELASTIC, TYPE=USER, dengan melaksanakan tindak balas elastik dalam uElasticMatrix dan uElasticUpdate. Untuk fungsi luluh takrifan pengguna, gunakan !PLASTIC, YIELD=USER dan laksanakan kekakuan tangen elastoplastik serta pemetaan kembali.

Topik Berkaitan