剑桥大学工程系《ABAQUS常见问题解答》翻译连载（5）：材料设置

注：本文为系列翻译文章第5篇，如有不当之处，欢迎交流指正！

Chapter-5：Materials

第五章 材料设置
Q5.1：如何知道我所分析的问题类型需要哪些材料属性？
原文基于6.3版本翻译过来是：参考第六章节：Analysis Procedures相关内容（abaqus用户手册 Vol.I）,对于各类分析问题的材料属性做了介绍。同时可以参考参考十七章节，关于材料设置方面的介绍。

  • Section 17.1.1 - Material Library : Overview

  • Section 17.1.2 - Material Data Definition

  • Section 17.1.3 - Combining Material Properties

如果基于abaqus6.14版本，则分别参考 Abaqus Analysis User's Guide下的第6章节、第21章节内容，尤其是第21章节中的21.1.3 Combining material behaviors，提供了各种材料模型的组合表。
一些材料参数的选择是基于其它材料参数的存在才能使用的，而一些材料参数则是互相排斥。比如*DEFORMATION PLASTICITY定义了材料的机械性能，但是与*ELASTIC无法同时使用。

当你需要合适的定义材料属性的关键字时，可以参考关键字手册。这将会帮你解释对应关键字需要什么数据输入。

Q5.2：在热-电耦合分析中需要定义什么材料属性？
参考帮助手册17.1.3节，查看heat transfer和electrical需要定义的材料属性，如下：

  • Heat Transfer properties

*CONDUCTIVITY

*LATENT HEAT

*SPECIFIC HEAT

*HEAT GENERATION

  • Electrical properties

*DIELECTRIC
*ELECTRICAL CONDUCTIVITY
*JOULE HEAT FRACTION
*PIEZOELECTRIC
而根据abaqus6.14版本的手册21.1.3小节则是以下内容：
通过查阅上述内容可以获得所需要的所有材料属性。如果不适用压电单元则无需定义压电和介电常数（*PIEZOELECTRIC和*DIELECTRIC）。如果是稳态问题的传热分析，则比热也无需定义（*SPECIFIC HEAT ）。同样如果没有相位变化，则潜热属性也无需定义（*LATENT HEAT）。焦耳热系数（*JOULE HEAT FRACTION ）用于定义电能转化释放出的热能。
案例5.2.1汽车保险丝的热电分析模型详细介绍了有关热电分析方面的内容（abaqus6.14版本中Abaqus Example Problems Guide下的7.2.1小节）。
abaqus允许用户输入多余的材料属性，对于当前分析不需要的参数自动忽略。一个典型的材料属性设置如下：
*MATERIAL, NAME=ZINC*CONDUCTIVITY 0.1121, 20.0 0.1103, 100.0*ELECTRICAL CONDUCTIVITY 16.75E3, 20.0 12.92E3, 100.0*JOULE HEAT FRACTION 1.0*DENSITY 7.14E-6*SPECIFIC HEAT 389.0
Q5.3：热变形问题的分析需要定义什么材料属性？
参考17.1.3用户手册中的heat transfer及mechanical两部分，结果如下：

  • Mechanical properties

*ELASTIC

Additional properties which may be required : example plastic

  • Heat Transfer properties

*CONDUCTIVITY
*LATENT HEAT
*SPECIFIC HEAT

*HEAT GENERATION

Q5.4：如果使用压电单元，需要在分析模型中定义什么材料属性参数？
参考帮助文档可知你需要定义有关电方面的材料属性参数，具体如下：

  • Electrical properties

*DIELECTRIC
*ELECTRICAL CONDUCTIVITY
*JOULE HEAT FRACTION

*PIEZOELECTRIC

Q5.5：对于钢筋混泥土方面的分析问题需要定义什么材料属性参数？
在Abaqus Example Problems Guide帮助文档中可以检索到collapse analysis of a concrete slab案例，利用前面提到的方法获取inp文件：
abaqus fetch j=collapseconcslab*

其中之前的版本inp含如下内容：

*CONCRETE 3000., 0. # abs. value of compressive stress, abs. value of plastic strain. 5500., 0.0015 *FAILURE RATIOS 1.16, 0.0836

新的6.14版本如下：

*CONCRETE 3000.,0. 5500.,.0015*FAILURE RATIOS1.16 , .0836
上述内容用于定义破坏面的形状。第一个比例系数是双向压缩应力与单向压缩应力的比值，默认为1.16。第二个参数是结构破坏时的单轴拉伸应力与单轴压缩应力之比的绝对值，默认情况下为0.09。
拉伸刚度（TENSION STIFFENING）：
*TENSION STIFFENING 1., 0. 0., 2.E-3
第一个参数是残余应力与开裂时候的应力之比。第二个参数是材料正应变减去开裂时应变的绝对值。这部分主要用于定义垂直于裂痕方向的拉伸应力与变形之间的函数关系。
剪切折减（SHEAR RETENTION）：
*SHEAR RETENTION
本例中未涉及。
强化模型（Reinforcement modelling）：
*REBAR用于建立强化模型。
*REBAR,ELEMENT=SHELL,MATERIAL=SLABMT,GEOMETRY=ISOPARAMETRIC,NAME=YYSLAB, 0.014875, 1., -0.435, 4*REBAR,ELEMENT=SHELL,MATERIAL=SLABMT,GEOMETRY=ISOPARAMETRIC,NAME=XXSLAB, 0.014875, 1., -0.435, 1
上述关键字中SLAB是包含钢筋结构单元的集合名称，几何模型为ISOPARAMETRIC（等参），其它选项还有SKEW。单元可以定义为BEAM, SHELL, AXISHELL或者 CONTINUUM类型。下面是其它的需要专门定义的参数：

  • cross-sectional area of the rebar

  • spacing of the rebars in the plane of the shell

  • position of the rebar. Distance from the reference surface. Here the mid-surface is the reference surface and the minus sign indicates that the distance is measured in the opposite direction to the direction of positive normal. The positive normal is defined by the right hand rule as the nodes are considered in an anti-clockwise sequence.

  • edge number to which rebars are similar.

另一种钢筋混泥土建模的方法如下：
*NODE ........**-------------------END NODES FOR REBAR BEAM ELEMENTS     501,         0.0,        0.15,       -0.02     541,         1.5,        0.15,       -0.02     601,         0.0,        0.15,       -0.07     641,         1.5,        0.15,       -0.07      701,         0.0,        0.60,       -0.02     741,         1.5,        0.60,       -0.02     801,         0.0,        0.60,       -0.07     841,         1.5,        0.60,       -0.07 ........**---------------------GENERATE INTERMEDIATE NODES*NGEN, NSET=BAR10TF 701, 741, 2*NGEN, NSET=BAR10TB 801, 841, 2......**--------------------GENERATE THE BEAM ELEMENTS*ELEMENT, TYPE=B31701, 701, 703801, 801, 803*ELGEN, ELSET=BAR10TF701, 20, 2, 1, 1, 1, 1*ELGEN, ELSET=BAR10TB801, 20, 2, 1, 1, 1, 1......**---------------------DEFINE THE MATERIAL PROPERTIES*MATERIAL, NAME=BAR8****  8 mm dia bar***ELASTIC, TYPE=ISO197.E6, 0.3*PLASTIC 354.E3, 0. 364.E3, 0.0018****---------------------DEFINE THE SECTION PROPERTIES......*BEAM SECTION, SECTION=CIRC, MATERIAL=BAR10, ELSET=BAR10TF  0.005*BEAM SECTION, SECTION=CIRC, MATERIAL=BAR10, ELSET=BAR10TB  0.005...**--------------------DEFINE AN ELEMENT SET WHICH CONTAINS**--------------------THE ELEMENTS THROUGH WHICH THE REBAR**--------------------ELEMENTS PASSES.....*ELSET, ELSET=TOP, GENERATE 5, 80, 5****--------------------*EMBEDDED ELEMENT,HOST ELSET=TOPBAR10TF,BAR10TB**

还有一个例子，可以参考inp文件（见文尾，窗口回复关键字获取）。

Q5.6：塑性变形需要定义哪些材料属性参数？
从帮助文档可以获取如下参数信息：
例如：
*DEFORMATION PLASTICITY 1.E3, 0.3, 2., 3, 0.396

关键字参数中数值分别对应杨氏模量，泊松比，屈服极限，硬化指数，偏置屈服，如果这些参数与温度有关则在后面增加一列温度项，每个一行输入一组参数对应一个不同的温度值即可。

Q5.7：临界状态模型—修正剑桥模型（Critical State Models——Modified Cam Clay）中使用什么单位比较合适？
按照如下单位处理：
L -  metresStress - kPaDensity - KN/m^3Unit weight of water - Kg/m^3
应力值使用帕斯卡（Pa）。

后台窗口回复关键字“材料设置”获取本章英文原文PDF文件及文中所提inp文件！

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