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王鹰宇 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111595359

商品编码：28346561802

商品基本信息

商品名称：      Abaqus分析用户手册——材料卷

作者：      王鹰宇

市场价：      139.00

ISBN号：      9787111595359

版次：      1-1

出版日期：       

页数：      460

字数：      719

出版社：      机械工业出版社

 

  目录

序言

前言

第1 章 材料: 介绍 1

1. 1 介绍 2

1. 1. 1 材料库: 概览 3

1. 1. 2 材料数据定义 4

1. 1. 3 组合材料行为 10

1. 2 通用属性: 密度 17

第2 章 弹性力学属性 20

2. 1 弹性行为: 概览 21

2. 2 线弹性 24

2. 2. 1 线弹性行为 25

2. 2. 2 无压缩或者无拉伸 33

2. 2. 3 平面应力正交异性失效度量 35

2. 3 多孔弹性: 多孔材料的弹性行为 40

2. 4 次弹性 44

2. 5 超弹性 47

2. 5. 1 橡胶型材料的超弹性行为 48

2. 5. 2 弹性体泡沫中的超弹性行为 68

2. 5. 3 各向异性超弹性行为 77

2. 6 弹性体中的应力软化 86

2. 6. 1 Mullins 效应 87

2. 6. 2 弹性体泡沫中的能量耗散 95

2. 7 线性黏弹性 101

2. 7. 1 时域黏弹性 102

2. 7. 2 频域黏弹性 116

2. 8 非线性黏弹性 123

2. 8. 1 弹性体的迟滞 124

2. 8. 2 并联流变框架 126

Ⅶ

2. 9 率敏感的弹性泡沫: 低密度泡沫 132

第3 章 非弹性力学属性 138

3. 1 非弹性行为: 概览 139

3. 2 金属塑性 146

3. 2. 1 经典的金属塑性 147

3. 2. 2 承受循环载荷的金属模型 154

3. 2. 3 率相关的屈服 165

3. 2. 4 率相关的塑性: 蠕变和膨胀 167

3. 2. 5 退火或者熔化 177

3. 2. 6 各向异性屈服/蠕变 179

3. 2. 7 Johnson-Cook 塑性模型 185

3. 2. 8 动态失效模型 191

3. 2. 9 多孔金属塑性 196

3. 2. 10 铸铁塑性 201

3. 2. 11 双层黏塑性 204

3. 2. 12 ORNL-Oak Ridge 国家实验室本构模型 208

3. 2. 13 变形塑性 211

3. 3 其他塑性模型 214

3. 3. 1 扩展的Drucker-Prager 模型 215

3. 3. 2 改进的Drucker-Prager/ Cap 模型 235

3. 3. 3 Mohr-Coulomb 塑性模型 245

3. 3. 4 临界状态(黏土) 塑性模型 251

3. 3. 5 可压碎泡沫塑性模型 256

3. 4 织物材料 266

3. 5 节理材料 281

3. 6 混凝土 286

3. 6. 1 混凝土弥散开裂 287

3. 6. 2 混凝土的开裂模型 296

3. 6. 3 混凝土损伤塑性 303

3. 7 橡胶型材料中的永久变形 318

第4 章 渐进性损伤和失效 322

4. 1 渐进性损伤和失效: 概览 323

4. 2 韧性金属的损伤和失效 326

4. 2. 1 韧性金属的损伤和失效: 概览 327

4. 2. 2 韧性金属的损伤初始化 329

4. 2. 3 韧性金属的损伤演化和单元删除 341

4. 3 纤维增强复合材料的损伤和失效 349

4. 3. 1 纤维增强复合材料的损伤和失效: 概览 350

4. 3. 2 纤维增强复合材料的损伤初始化 351

Ⅷ

4. 3. 3 纤维增强复合材料的损伤演化和单元删除 354

4. 4 低周疲劳分析中韧性材料的损伤和失效 360

4. 4. 1 低周疲劳分析中韧性材料的损伤和失效: 概览 361

4. 4. 2 低周疲劳分析中韧性材料的损伤初始化 362

4. 4. 3 低周疲劳分析中韧性材料的损伤演化 363

第5 章 水动力属性 366

5. 1 水动力行为: 概览 367

5. 2 状态方程 369

第6 章 其他材料属性 388

6. 1 力学属性 389

6. 1. 1 材料阻尼 390

6. 1. 2 热膨胀 395

6. 1. 3 场膨胀 400

6. 1. 4 黏性 405

6. 2 热传导属性 409

6. 2. 1 热传导属性: 概览 410

6. 2. 2 传导 410

6. 2. 3 比热容 411

6. 2. 4 潜热 413

6. 3 声学属性 415

6. 4 质量扩散属性 423

6. 4. 1 扩散 424

6. 4. 2 溶解性 427

6. 5 电磁属性 429

6. 5. 1 导电性 430

6. 5. 2 压电行为 431

6. 5. 3 磁导率 435

6. 6 孔隙流体流动属性 440

6. 6. 1 孔隙流体流动属性: 概览 441

6. 6. 2 渗透性 441

6. 6. 3 多孔体模量 446

6. 6. 4 吸附性 447

6. 6. 5 凝胶溶胀 450

6. 6. 6 吸湿溶胀 451

6. 7 用户材料 454

6. 7. 1 用户定义的力学材料行为 455

6. 7. 2 用户定义的热材料行为 460

 

 

 

   内容简介

    本书是“Abaqus用户手册大系”中的一册，共分6章，详细介绍了材料的不同性能及组合应用：包括不同材料的类别、材料的弹性力学属性、非弹性力学属性、材料的渐进性损伤和失效，材料的七大类其他属性及用户材料等内容。对于使用Abaqus的工程技术人员，此书是必备的工具书，对于使用其他工程分析软件的人员，此书也具有非常重要的指导意义。

《工程材料行为仿真与性能优化：基于高级数值分析方法》 内容简介： 本书并非直接介绍特定软件的操作手册，而是深入探讨工程材料在复杂载荷和环境条件下，其行为的模拟仿真原理、先进的数值分析技术以及基于这些分析的性能优化策略。本书旨在为广大工程师、研究人员以及对材料科学与工程模拟交叉领域感兴趣的学生提供一个全面而深入的理论框架和实践指导。我们从材料本身的微观结构与宏观力学性能之间的联系入手，逐步构建起能够准确预测材料在各种工况下响应的仿真模型，并在此基础上，探讨如何通过材料设计、结构优化等手段，实现工程产品的性能提升和可靠性保障。 第一部分：材料行为的微观机制与宏观表征 本部分将从基础的材料科学出发，阐述不同类别工程材料（金属、陶瓷、聚合物、复合材料等）的微观结构特征（如晶体结构、晶界、缺陷、相组织、填料分布等）如何影响其宏观力学性能。我们将详细介绍各种材料属性的测量方法，包括但不限于： 力学性能测试： 拉伸、压缩、弯曲、剪切、疲劳、断裂韧性、蠕变、冲击等试验的原理、数据采集与解读。重点关注试验结果如何与材料的微观结构关联。 热学性能测试： 热膨胀系数、热导率、比热容等参数的测量及其在热力耦合分析中的重要性。 电学和磁学性能测试： 针对特定应用场景，介绍导电性、介电常数、磁导率等参数的测量方法。 损伤与失效机理： 详细阐述不同材料在不同失效模式下的微观损伤累积过程，如塑性变形、疲劳裂纹萌生与扩展、脆性断裂、蠕变损伤、相变引起的形变等。我们将引入损伤力学、断裂力学等基本理论，为后续的数值模拟奠定基础。 第二部分：高级数值分析方法在材料仿真中的应用 本部分是本书的核心内容，将聚焦于目前工程领域广泛应用的各种高级数值分析方法，并详细阐述它们在材料行为仿真中的具体应用。我们强调的是方法的原理、适用范围、优缺点，以及如何根据具体工程问题选择最合适的分析工具。 有限元方法（FEM）的深度解析： 单元选择与网格划分： 详细讨论各种单元类型（实体单元、壳单元、梁单元、杆单元）的适用性，以及网格划分的密度、质量对计算精度和效率的影响。我们将探讨自适应网格技术在捕捉局部高应力区域和复杂变形时的优势。 本构模型构建： 重点介绍用于描述材料非线性行为的各类本构模型，包括： 弹塑性模型： 屈服准则（如Von Mises、Tresca）、硬化规律（等效硬化、混合硬化、随动硬化）的详细讲解，以及它们如何描述材料的应力-应变关系。 损伤模型： 基于能量、应力比或微观裂纹密度等参数的损伤演化方程，用于预测材料的宏观强度下降。 蠕变模型： 描述材料在恒定应力下随时间缓慢变形的各类蠕变定律（如Norton定律、Garofalo定律），以及考虑温度、应力耦合效应的模型。 疲劳模型： 基于应力比、平均应力、应变幅的损伤累积模型（如Miner法则），以及更先进的局部应变法和裂纹扩展法。 粘弹性/粘塑性模型： 描述聚合物等材料随时间响应的迟滞效应。 高级复合材料本构模型： 纤维增强复合材料（如层合板）的各向异性本构关系，包括基于古典层合板理论（CLT）和更精细的三维分析方法。 接触与边界条件： 复杂接触问题的数值处理，包括法向与切向接触算法，以及摩擦模型的选择。边界条件的精确施加与验证。 动态分析与模态分析： 瞬态动力学分析中的时间积分算法，以及模态分析在预测结构固有频率和振动模式中的应用。 热力耦合分析： 考虑温度场对材料力学性能影响，以及变形产生的热量的耦合计算。 其他先进数值方法介绍（与FEM的协同或替代）： 离散元方法（DEM）： 适用于模拟颗粒材料、岩土工程、粉末冶金等具有明显离散特征的材料行为，侧重于颗粒间的相互作用。 光滑粒子动力学（SPM）： 用于模拟大变形、破碎、流体与固体耦合等问题，具有无网格、拉格朗日特性的优点。 分子动力学（MD）与量子力学（QM）的衔接： 简要介绍在材料微观尺度上的模拟方法，以及如何通过多尺度建模，将微观尺度的精细行为信息传递到宏观尺度的有限元模型中。 第三部分：工程材料性能的仿真与优化 本部分将理论与实际应用相结合，重点介绍如何利用前面介绍的数值分析方法，对工程材料的性能进行评估、预测和优化。 材料性能的预测与验证： 应力-应变曲线的预测： 通过建立合适的本构模型，预测材料在不同加载路径下的应力-应变响应，并与实验数据进行对比验证。 损伤与寿命预测： 基于损伤力学和疲劳模型，预测材料在循环载荷下的损伤累积和失效寿命，为产品设计提供寿命保障。 断裂行为分析： 利用断裂力学理论和数值方法，计算裂纹尖端的应力强度因子（K值）或能量释放率（G值），预测材料的抗裂纹扩展能力。 蠕变与疲劳裂纹扩展模拟： 详细介绍如何在数值模型中模拟材料的长期变形（蠕变）和在应力作用下裂纹的稳定或加速扩展（疲劳裂纹扩展）。 环境影响分析： 考虑温度、湿度、腐蚀介质等环境因素对材料力学性能的影响，并进行耦合仿真。 材料与结构性能优化策略： 材料选择与设计： 基于仿真结果，为特定工程应用选择最优的材料。例如，在轻量化需求下，选择高强度-密度比的材料；在耐高温需求下，选择具有优异热稳定性的材料。 参数化设计与响应面法： 将材料参数（如屈服强度、硬化模量、蠕变系数等）或结构参数（如壁厚、截面形状等）作为设计变量，利用数值仿真进行参数化研究，寻找最佳设计点。 拓扑优化与形状优化： 基于材料性能和应力分布，通过拓扑优化算法自动生成最优的材料分布或结构形状，实现性能最大化和材料最小化。 多目标优化： 考虑多个性能指标（如强度、刚度、韧性、寿命、重量等）的综合优化，平衡不同指标之间的冲突。 实验设计（DOE）与仿真结合： 利用DOE方法高效地设计仿真算例，以最少的仿真次数获得最全面的参数影响规律，并指导后续的实验验证。 第四部分：案例研究与前沿应用 本部分将通过一系列典型的工程案例，展示本书所介绍的理论和方法在实际工程问题中的应用。这些案例将覆盖航空航天、汽车工程、能源、生物医学等多个领域，例如： 高性能金属零部件的疲劳寿命预测与优化： 例如飞机起落架、汽车发动机曲轴等。 复合材料结构（如风力涡轮叶片、汽车车身）的强度与刚度分析及设计优化。 高温部件（如燃气轮机叶片）的蠕变与热疲劳评估。 高分子材料在汽车轮胎、医疗器械中的应用仿真。 新材料（如形状记忆合金、功能梯度材料）的性能评估与应用开发。 此外，本书还将对材料仿真领域的最新研究动态进行展望，包括但不限于： 人工智能（AI）与机器学习在材料性能预测和优化中的应用。 多尺度、多物理场耦合仿真的发展趋势。 数字化孪生（Digital Twin）技术与材料仿真相结合。 用于材料基因组计划和自动化材料发现的仿真工具。 本书特色： 理论与实践紧密结合： 既有严谨的理论推导，又包含丰富的工程实践指导。 方法论深度解析： 重点在于理解各种数值分析方法的内在机理和适用性，而非简单罗列软件操作。 前沿性与系统性并重： 涵盖了材料仿真领域的经典理论和最新发展。 面向实际工程问题： 通过大量案例分析，帮助读者解决实际工程挑战。 本书将帮助读者建立起一套独立、高效的材料行为分析和性能优化能力，为工程师在产品设计、材料开发和故障分析等工作中提供坚实的理论基础和有力的技术支持。

评分☆☆☆☆☆

我在汽车行业的耐久性分析工作中，经常需要处理金属材料在复杂应力循环下的疲劳行为。Abaqus 在这方面提供了丰富的工具，但要精确模拟材料的疲劳损伤累积，需要对损伤力学的理论有深刻的理解，并知道如何在 Abaqus 中有效地运用这些理论。我目前正在寻找一本能够详细介绍 Abaqus 中损伤力学模型，特别是疲劳损伤模型，例如 S-N 曲线、Coffin-Manson 关系，以及更高级的塑性损伤耦合模型，并提供实际案例分析的书籍。我希望这本书能够阐述这些模型的数学原理，讲解如何在 Abaqus 中输入相应的材料参数，如何设置疲劳分析的荷载历程，以及如何解读疲劳寿命预测的结果，从而帮助我更准确地评估产品在实际使用中的耐久性。

评分☆☆☆☆☆

我最近在研究如何利用 Abaqus 模拟一些特殊材料，比如泡沫材料、多孔材料或者具有相变行为的材料。这些材料的力学性能与传统金属或高分子材料有显著区别，需要特殊的建模方法。我希望找到一本能够深入探讨 Abaqus 在这些非常规材料建模方面的书籍，它应该能解释这些材料的独特力学机理，并介绍如何在 Abaqus 中选择或自定义相应的材料模型。例如，如何模拟泡沫材料的压缩行为，如何考虑多孔材料的流固耦合效应，或者如何捕捉相变材料的力学响应随温度或应力的变化。

评分☆☆☆☆☆

我是一名从事岩土工程领域的工程师，在进行边坡稳定性、隧道开挖等分析时，常常需要处理具有复杂应力-应变行为的土体材料。Abaqus 提供了多种经典的弹塑性模型，如 Drucker-Prager, Mohr-Coulomb 等，但如何根据不同土体的试验特性，如三轴试验、直剪试验数据，来精确地选择和校准这些模型，并且理解不同参数的物理意义，是我一直在探索的问题。我希望找到一本能够详细讲解 Abaqus 中岩土材料本构模型，包括其理论基础、适用范围，以及如何在 Abaqus 中进行材料参数的辨识和验证的书籍，并附带实际工程案例，能够指导我解决实际项目中的难题。

评分☆☆☆☆☆

我最近在项目中遇到了一个棘手的难题，涉及到复杂材料在动态载荷下的行为模拟。传统的线性材料模型已经无法满足精度要求，我需要深入了解 Abaqus 在处理非线性材料，特别是粘弹性、损伤力学以及多尺度材料建模方面的能力。市面上有很多 Abaqus 的操作手册，能够教你如何一步步进行建模和求解，但往往在理论深度上有所欠缺。我渴望找到一本能够深入剖析 Abaqus 材料模型背后物理原理的书籍，能够解释不同材料模型的适用范围、优缺点，以及在 Abaqus 中如何利用用户自定义子程序（UMAT, VUMAT）来引入更复杂的本构关系。理解这些理论基础，对于我能够独立解决实际工程问题，设计出更优化的结构方案至关重要。

评分☆☆☆☆☆

我在生物医学工程领域，对模拟人体软组织、骨骼等复杂材料在各种载荷条件下的力学响应非常感兴趣。Abaqus 提供了多种先进的材料模型，但这些模型往往需要结合生物材料的特有性能进行参数化。我迫切需要一本能够深入讲解 Abaqus 在生物材料建模方面的应用的书籍，特别是关于超弹性材料（如用于模拟皮肤、肌肉）、粘弹性材料（如用于模拟软骨）以及考虑损伤和愈合机制的材料模型。我希望这本书能提供清晰的理论指导，讲解如何根据生物材料的试验数据来确定模型参数，并展示如何在 Abaqus 中构建这些模型，从而为我的研究提供坚实的理论基础和实践指导。

评分☆☆☆☆☆

我是一名结构工程专业的学生，正在学习如何利用 Abaqus 进行更复杂的工程结构分析。在很多实际项目中，结构构件的连接区域，或者材料在极端载荷下的表现，都会涉及到材料的非线性行为。我一直在寻找一本能够详细介绍 Abaqus 中各种非线性材料模型的书籍，特别是塑性模型、损伤模型以及断裂力学相关的模型。我希望这本书能够解释这些模型的数学原理，讲解如何根据试验数据来确定模型的参数，并且通过具体的工程案例来演示如何在 Abaqus 中实现这些模型的定义和应用，以提高我的分析能力。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对高分子材料力学性能感兴趣的研究生，我在 Abaqus 的应用中常常感到材料建模部分是我的瓶颈。我接触过一些 Abaqus 的基础教程，但对于聚合物的非线性行为，比如应变率效应、温度依赖性、大应变下的变形等，它们的模拟往往需要非常精细的材料模型。我希望找到一本能够系统介绍 Abaqus 中针对高分子材料的各种先进材料模型，例如超弹性模型（Mooney-Rivlin, Ogden 等）、粘弹性模型（Maxwell, Kelvin-Voigt 等）以及更复杂的损伤模型，并提供详细参数化设置指导的书籍。不仅如此，我还需要了解这些模型的物理意义，如何通过试验数据来确定这些模型的参数，以及在 Abaqus 中如何进行材料模型的验证和优化。

评分☆☆☆☆☆

在航空航天领域，复合材料的应用越来越广泛，其复杂的多层次结构和各向异性力学行为给有限元分析带来了巨大的挑战。我一直在寻找一本能够深入探讨 Abaqus 在复合材料建模方面的书籍。我希望这本书不仅能介绍 Abaqus 中内置的各种复合材料模型，如层合板理论、壳单元复合材料定义等，更能详细讲解如何通过用户自定义材料（UMAT）来定义复杂的失效准则和损伤演化规律。理解材料的微观结构与宏观力学性能之间的关系，并将其转化为 Abaqus 中的精确输入参数，是我目前急需掌握的技能。

评分☆☆☆☆☆

我一直对结构分析领域非常着迷，也接触过不少相关的软件和书籍。最近，我在寻找一本能够深入理解 Abaqus 材料建模的教材，因为在实际工程项目中，准确的材料属性定义是分析结果可靠性的基石。市面上确实有不少 Abaqus 的入门和应用教程，但很多都侧重于整体操作流程，对于材料部分的细节讲解往往点到为止，或者只是罗列一些常见的材料模型，缺乏系统性和深入性。我希望找到一本能够详细解释各种材料模型的物理基础、数学模型，以及在 Abaqus 中如何精确配置这些参数的书籍。例如，对于非线性材料，诸如塑性、蠕变、损伤等，如何理解其本构关系，如何在 Abaqus 中选择合适的模型，以及如何输入准确的试验数据来校准这些模型，这些都是我非常关注的。

评分☆☆☆☆☆

我在进行结构动力学分析时，经常需要考虑材料的阻尼效应以及在高应变率下的响应。Abaqus 提供了多种与动力学相关的材料模型，但我希望能找到一本能够深入讲解这些模型的书籍。我期望这本书能够详细阐述材料的阻尼机制，例如粘滞阻尼、滞弹性阻尼等，以及不同材料模型（如 visco-plasticity models）在 Abaqus 中的实现方式。同时，我也希望能了解如何根据材料的动态力学试验数据来校准这些模型，以及如何在 Abaqus 中设置和求解动态非线性分析，以更准确地预测结构在动态载荷下的行为。