塑料/复合材料如何选择合适的材料卡片类型

随着数字化时代的到来，越来越多的企业在产品开发过程中倾向于用有限元仿真技术来预测产品服役过程中的跌落、碰撞、冲击性能，但仿真结果的精度决定了其在产品开发过程中真正发挥的作用。

仿真精度受很多因素影响，如模型简化程度、网格尺寸和质量、材料参数等。其中，材料参数是影响仿真精度最重要的影响因素之一。采用不同的材料本构和失效模型或者同样的材料本构和失效模型采用不同的材料参数，仿真结果将大相径庭。

塑料材料在汽车、家电、航空航天、电子电器等行业应用越来越广泛，其力学性能不同于金属材料的力学性能，塑料材料有其独特的特点：

1. 弹性模量不是常数，而是应变率的函数，同时也是塑性应变的函数；
2. 在大应变时，真实应力-应变曲线的斜率增加很快；
3. 塑性硬化在拉伸、压缩、剪切工况各不相同；
4. 材料的失效应变与应变率相关；
5. 塑性材料会产生黏性应变。

现在还没有一种材料本构能够准确地模拟塑料材料的所有力学性能，仅为根据分析目的模拟塑料的某些特性。市面上常用的仿真软件，如LS-DYNA用以模拟塑料的材料本构如下：

(1) mat_024 / mat_piecewise_linear_plastic;分段线性塑性材料，这表示材料的塑性行为遵循分段线性塑性模型，即在不同的应力水平下，材料的刚度（弹性模量）可能发生变化。 

(2) mat_123 / mat_modified_piecewise_linear_plastic;修正的分段线性塑性材料，这种材料模型与mat_024类似，但在某些方面进行了修正，以更准确地模拟材料的实际行为。 

(3) mat_124 / mat_plasticity_compression_tension;压缩-拉伸塑性材料，这种材料模型考虑了材料在压缩和拉伸状态下的不同塑性行为，可能在压缩时表现出不同的屈服应力。

(4) mat_089 / mat_plasticity_polymer;聚合物塑性材料，这个材料模型用于模拟聚合物材料的塑性行为，这些材料在塑性变形时可能表现出非线性应力-应变关系。

(5) mat_101 / mat_geplastic_srate_2000a;粘塑性速率敏感材料，这种材料模型考虑了材料塑性变形速率对材料行为的影响。

(6) mat_187 / mat_samp-1.用于聚合物的半解析材料模型，将拉伸、剪切、压缩和双向拉伸四个屈服实验点拟合得到屈服面，支持隐式和显式，粘塑性沿松比随塑性应变改变，失效应变随着应变率变化，随应力状态改变。

(7) mat_169 / MAT_ARUP_ADHESIVE;定义胶黏剂材料，结构中的胶粘结合，塑性模型不是体积守恒的，避免使用传统弹性-塑性材料模拟胶接时可能出现的虚假高拉伸应力。

国外一些汽车公司使用 mat_187 / mat_samp-1 材料本构模拟塑料材料进行 CAE 分析，该材料本构与试验结果吻合度较高，因此使用该材料本构模拟汽车塑料零件的材料性能。

mat_187 的性能如下：

1. 该材料本构用于模拟各向同性、内部无纤维加强的塑料；
2. 拉伸和压缩使用不同的屈服面；
3. 可以考虑基于应变率的材料失效；
4. 壳单元与体单元均可使用该材料本构；
5. 材料中使用的单轴应变并不等同于塑性应变；
6. 材料拉伸性能必须定义，压缩、剪切性能选择性进行定义，也可不定义。
7. 
   

① 若仅定义材料拉伸特性，与 mat_24 类似，使用 Von Mises屈服面，仅需一条特性曲线；

 ② 若同时定义材料拉伸、压缩特性，使用 Drucker-Prager屈服面，需要两条特性曲线； 

③ 若定义拉伸、压缩、剪切、多轴材料特性，使用 Isotropic Quadratic屈服面，需要多条特性曲线，如下图所示。

在CAE仿真中，应该根据实际的分析需要来选择合适的材料本构进行模拟。虽然使用 mat_187 可以很好地模拟塑料材料的性能，但所需定义的参数众多，需要多次试验才能获取。如果是在塑料零件对整体分析结果影响不大（如整车碰撞分析中的塑料内饰件）的情况下，使用 mat_24 就可以很好地模拟材料特性；如果是在塑料零件对整体分析结果影响较大（如行人保护分析中的前蒙皮等塑料件）的情况下，可以考虑使用 mat_187 来模拟材料特性。

材料卡片定制服务

国高材分析测试中心联合行业仿真机构，为客户提供材料力学性能样件测试及仿真软件材料卡片生成服务，具体内容如下：

1.按照客户的技术要求，进行高分子材料试验（单向拉伸，缺口拉伸，剪切，双向拉伸，冲孔，三点弯等）。

2.对材料样件试验结果数据进行数据处理，验证及仿真分析标定。

3.输出仿真分析标定结果，并根据各种材料本构要求生成相应仿真软件材料卡片。

4.最终交付材料样件试验数据结果及仿真软件材料卡片。

MAT_24号材料卡片生成一般包括如下力学试验：

1） 准静态拉伸试验

准静态拉伸试验，应变速率是0.001/s、0.1/s，2组，试验重复至少5组。

2） 中应变率拉伸试验

中应变率拉伸试验，应变速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,1000/s 5组，试验重复率或5组。

MAT187号材料卡片生成一般包括如下力学试验：

1） 准静态拉伸试验

准静态拉伸试验，应变速率是0.001/s、0.1/s，2组，试验重复至少5组。

2） 中应变率拉伸试验

中应变率拉伸试验，应变速率是0.1/s，1/s,10/s,100/s,500/s 5组，试验重复率在5个。

3） 压缩试验

准静态压缩试验，应变速率是0.001/s、0.01/s，2组，试验重复至少5组。

4） 三点弯曲试验

非金属高速三点弯曲试验，试验速度在是50mm/s、150mm/s，300mm/s，试验重复率在3个。

5） 高速穿孔试验

对于该试验，冲击速度在10,mm/min。

如果需要考虑材料失效模型，比如GISSMO，DIEM，MMC或Johnson-Cook模型，则需要再多做一些其他试验，并根据仿真软件不同的材料本构要求，可能会涉及到材料各向异性的样件取样，及不同温度下的材料力学性能测试。