技术研究 | 力学仿真分析的材料卡片你知道是怎么来的吗？

材料卡片包含材料的各种物理性能参数，是材料进行力学仿真分析不可缺少的组成部分。

卡片开发时，需依据卡片输入要求及工程分析需要，设计试验矩阵，进行材料性能测试；处理试验曲线，获得材料的弹性、塑性和断裂力学行为，主要包括：

弹性行为：计算弹性模量、泊松比、密度等。

塑性行为：计算不同应力状态（拉伸、压缩、剪切等）准静态下塑性应力应变曲线及动态单向拉伸塑性应力应变曲线，塑性泊松比等。

断裂行为：通过准静态下各应力状态试验，建立相对应的仿真模型，通过模拟对标的方法确定断裂点的等效失效应变与应力三轴度的关系，确定准静态下的失效准则。通过动态单向拉伸试验（或其他应力状态动态试验）确定等效失效应变和应变率的关系，模拟动态下的失效准则。以及其余参数标定。

简言之，材料卡片开发流程：材料试验→材料卡片建立→非失效段标定→失效段标定。

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其中材料卡片的建立需求材料的基础数据，通常包含密度、弹性模量、泊松比、静态拉伸曲线、动态拉伸曲线、静态双向拉伸曲线、静态压缩曲线、静态压缩曲线。这些材料性能参数的获取方法，我们之前在公开课中已经讲到过——直播回顾 | 内附PPT，《力学仿真所需材料参数获取及应用分享》

随着大家希望仿真结果贴近实际工况的需求日益增多，获取材料的静态剪切工程应力-应变曲线/真实应力-应变曲线/力-位移曲线、静态压缩工程应力-应变曲线/真实应力-应变曲线/力/位移曲线、静态穿孔力-位移曲线，成为了力学仿真过程中必须使用到的材料性能参数，国高材分析测试中心结合DIC测量技术，拥有完善的力学仿真所需材料参数的全套获取能力，今天为大家分享材料剪切、压缩和穿孔性能参数获取方法。

1、试验方法

压缩跟剪切试验需要结合DIC技术进行应变监测，测试前需在样品表面制作散斑，穿孔试验一般无需测试应变。各试验样品如图1~图3。

2、具体试验

2.1 剪切测试

剪切条件：试验速度2mm/min，应力数据采集频率每秒1个~4个，结合DIC技术进行应变检测，拍摄帧数最小60fps，视频储存是选择跳帧保存，以确保应力数据与应变数据间隔一致。测试过程中夹具夹持力足够，试样无滑脱现象。夹持时需按标准的扭力要求进行试样固定，不然会造成试样夹具断裂，如图4。

夹具安装要求：夹具安装后无松动等，如图5~图7。配合温度箱使用时无尺寸过大等异常，且相机能通过视窗清晰拍摄到样品，如图8~图10。

剪切结果曲线如图11~图12，从曲线可以看出试弹性变形阶段平稳上升无异常，屈服阶段出现阶梯现象是因为试样纤维断裂导致的。对于强度大的材料，上下夹具在试验过程中会发生往中间偏离的现象，如图13~图14，可能是拉力机上下拉杆过长导致的。

2.2 压缩试验

压缩条件：试验速度1.3mm/min，应力数据采集频率每秒1个~4个，结合DIC技术进行应变检测，拍摄帧数最小60fps，视频储存是选择跳帧保存，以确保应力数据与应变数据间隔一致。压缩夹具未发生滑脱现象，拧紧时需使用标准要求的扭力。为了使应变数据更为准确合理，需要对不同失效（弯曲或分层破坏等）位置的试样选择舍弃。

图16试样失效（弯曲）发生在中间且向后弯曲，此种失效方式DIC测出的应变数据最准确。图17试样失效（弯曲）发生在中间但向前弯曲，虚拟引伸计位置选择不当会导致应变先增大后变小，与应变的单调增长/减小规律不相符。图18试样因分层破坏失效位置靠近夹具边缘，所拍摄到的试样表面会逐渐缺失，导致应变数据的缺失或者偏小。图17和图18失效模式的试样数据应该舍弃。

2.3 穿孔试验

主要测试表征材料的破坏力与破坏位移，一般无需DIC技术配合测试。测试速度3mm/min，根据需求选取不同直径的压头测试，选择合适的预应力，并在压头末端处贴特氟龙胶带，以减小压头与试样的摩擦力。测试结果曲线如图19，可以测出材料的最大破坏力与最大力对应的破坏位移。

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