Die Erstellung von benutzerdefinierten Materialien in ANSYS ist eine grundlegende Fähigkeit, die es Ingenieuren und Simulationsspezialisten ermöglicht, reale Materialien, die möglicherweise nicht in der Standardmaterialbibliothek der Software vorhanden sind, genau zu modellieren. Ob Sie mit speziellen Legierungen, Verbundwerkstoffen, neuartigen Polymeren oder Materialien mit einzigartigen thermischen oder mechanischen Eigenschaften arbeiten, die Fähigkeit, benutzerdefinierte Materialeigenschaften zu definieren, ist unerlässlich, um zuverlässige und genaue Simulationsergebnisse zu erzielen. Dieser umfassende Leitfaden führt Sie durch den gesamten Prozess der Erstellung, Implementierung und Validierung benutzerdefinierter Materialien in ANSYS und bietet Ihnen das Wissen und die praktischen Schritte, die erforderlich sind, um Ihre Finite-Elemente-Analysefähigkeiten zu verbessern.

Materialeigenschaften in ANSYS verstehen

Bevor wir uns mit der Erstellung von kundenspezifischen Materialien befassen, ist es wichtig, die verschiedenen Materialeigenschaften zu verstehen, die ANSYS in Simulationen verwendet. Materialeigenschaften fallen in mehrere Kategorien, die jeweils einem bestimmten Zweck in verschiedenen Arten von Analysen dienen. Mechanische Eigenschaften umfassen den Elastizitätsmodul (Young-Modul), den Schermodul, den Volumenmodul, das Verhältnis von Poisson und die Streckgrenze. Diese Eigenschaften bestimmen, wie Materialien auf mechanische Belastungen und Verformungen reagieren.

Die thermischen Eigenschaften umfassen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität, den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Referenztemperatur. Diese Parameter sind für die thermische Analyse und gekoppelte thermische Struktursimulationen von wesentlicher Bedeutung. Elektromagnetische Eigenschaften wie die relative Permittivität, die relative Permeabilität und der elektrische Widerstand werden bei der Durchführung von Simulationen elektromagnetischer Felder oder gekoppelter multiphysikalischer Analysen von Bedeutung.

Die Dichte ist eine grundlegende Eigenschaft, die in nahezu allen Analysen erforderlich ist, da sie Masse, Trägheit und Gravitationseffekte beeinflusst. Für dynamische Analysen müssen möglicherweise auch Dämpfungskoeffizienten definiert werden. Zu verstehen, welche Eigenschaften für Ihren spezifischen Analysetyp erforderlich sind, stellt sicher, dass Sie nur die notwendigen Parameter definieren, den Materialherstellungsprozess rationalisieren und unnötige Komplexität vermeiden.

Zugriff auf das Engineering Data Module

Das Engineering Data Modul in ANSYS Workbench dient als zentraler Hub für die Verwaltung aller Materialdefinitionen, die in Ihren Simulationen verwendet werden. Um auf dieses Modul zuzugreifen, starten Sie ANSYS Workbench und erstellen Sie entweder ein neues Projekt oder öffnen Sie ein bestehendes. Im Fenster Projektschema sehen Sie verschiedene Zellen, die verschiedene Phasen Ihres Analyse-Workflows darstellen. Die Engineering Data Zelle befindet sich normalerweise in der Nähe der Oberseite des Schaltplans und wird durch ein Datenbanksymbol dargestellt.

Doppelklicken Sie auf die Engineering Data Zelle, um die Engineering Data Schnittstelle zu öffnen. Diese Schnittstelle bietet eine umfassende Umgebung, in der Sie Materialdefinitionen anzeigen, erstellen, ändern und verwalten können. Das linke Feld zeigt den Umrissbaum an, der Materialien in Kategorien wie Allgemeine Materialien, Engineering Data Sources und benutzerdefinierte Materialbibliotheken, die Sie möglicherweise importiert haben, organisiert. Das mittlere Feld zeigt detaillierte Eigenschaftsdaten für das ausgewählte Material an, während das rechte Feld Eigenschaftenoptionen und Eingabefelder enthält.

Das Engineering Data Modul verbindet sich mit verschiedenen Materialdatenbanken, einschließlich der eingebauten ANSYS Materialbibliothek, die Hunderte von vordefinierten Materialien enthält, die von gängigen Baustählen bis hin zu spezialisierten Luft- und Raumfahrtlegierungen reichen. Sie können sich auch mit externen Materialdatenbanken verbinden oder Materialdaten aus anderen Quellen importieren, wodurch das Modul sehr flexibel und erweiterbar für spezialisierte Anwendungen wird.

Erstellen eines neuen Custom Materials

Um ein neues benutzerdefiniertes Material von Grund auf neu zu erstellen, navigieren Sie zur Symbolleiste in der Engineering Data-Schnittstelle und klicken Sie auf den Abschnitt Engineering Data Sources. Hier finden Sie die Option, ein neues Material zu Ihrem Projekt hinzuzufügen. Klicken Sie auf das Plus-Symbol oder wählen Sie Material aus dem Menü. Ein neuer Materialeintrag erscheint im Gliederungsbaum mit einem Standardnamen wie "Material1" oder "Neues Material".

Wenn Sie dies tun, können Sie dies tun, wenn Sie dies tun, um dies zu tun, wenn Sie dies tun, um dies zu tun, wenn Sie dies tun, um dies zu tun, wenn Sie dies tun, um dies zu tun.

Wenn Sie Ihr neues Material erstellt und benannt haben, erscheint es als leere Vorlage, die für die Eigenschaftsdefinition bereit ist. Das Material hat in diesem Stadium keine Eigenschaften zugewiesen, was bedeutet, dass es noch nicht in Simulationen verwendet werden kann. Der nächste Schritt beinhaltet das systematische Hinzufügen der erforderlichen Materialeigenschaften basierend auf Ihren Analyseanforderungen und den physikalischen Eigenschaften des Materials, das Sie modellieren.

Duplizieren und Ändern vorhandener Materialien

Eine alternative und oft effizientere Herangehensweise bei der Erstellung von benutzerdefinierten Materialien ist, mit einem vorhandenen Material zu beginnen, das ähnliche Eigenschaften wie Sie hat, und es dann entsprechend zu modifizieren. Diese Methode ist besonders nützlich, wenn Sie mit einer Materialvariante arbeiten oder wenn Sie bestimmte Eigenschaften eines Standardmaterials an experimentelle Daten oder Herstellerspezifikationen anpassen möchten.

Um ein vorhandenes Material zu duplizieren, stöbern Sie durch die Materialbibliothek im Umrissbaum und suchen Sie ein Material, das Ihrem Zielmaterial sehr ähnlich ist. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Materialnamen und wählen Sie Duplicate aus dem Kontextmenü. Eine Kopie des Materials wird mit allen ursprünglichen Eigenschaften intakt erstellt, typischerweise mit einem Namen wie "Material Name Copy" oder einer ähnlichen Bezeichnung.

Wenn man das Material umbenennt, um seine neue Identität widerzuspiegeln, dann geht man damit fort, die Eigenschaften zu ändern, die sich vom Original unterscheiden. Dieser Ansatz spart viel Zeit, weil viele Eigenschaften unverändert bleiben können, und man muss nur die spezifischen Parameter anpassen, die das Material vom Basismaterial unterscheiden. Wenn man zum Beispiel eine modifizierte Stahllegierung modelliert, kann man einen Standard-Baustahl duplizieren und dann nur die Streckgrenze und die Zugfestigkeit an die Eigenschaften der spezifischen Legierung anpassen.

Definition linearer elastischer Materialeigenschaften

Lineare elastische Materialien sind die am häufigsten verwendeten Materialmodelle in der Strukturanalyse, die sich durch eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Dehnung innerhalb des elastischen Bereichs auszeichnen. Um lineare elastische Eigenschaften für Ihr benutzerdefiniertes Material zu definieren, wählen Sie das Material im Umrissbaum aus und suchen Sie dann nach den Eigenschaftskategorien im mittleren Bereich.

Klicken Sie auf Linear Elastic im Eigenschaftsmenü, das erweitert wird, um verschiedene Optionen zur Definition von elastischem Verhalten anzuzeigen. Der häufigste Ansatz ist die Verwendung von Isotropic Elasticity, die davon ausgeht, dass das Material in allen Richtungen identische Eigenschaften hat. Für isotrope Materialien müssen Sie zwei unabhängige elastische Konstanten definieren, typischerweise Young's Modulus (elastischer Modulus) und Poisson's Ratio.

Young's Modulus steht für die Steifigkeit oder Widerstandsfähigkeit des Materials gegen elastische Verformungen unter Zug- oder Druckbelastungen. Er wird in Druckeinheiten ausgedrückt, typischerweise Pascal (Pa), Megapascal (MPa) oder Gigapascal (GPa). Beispielsweise weist Baustahl typischerweise einen Young's Modulus von etwa 200 GPa auf, während Aluminiumlegierungen zwischen 70 und 80 GPa liegen und Polymere Werte von 1 bis 5 GPa haben können.

Das Poisson's Ratio beschreibt das Verhältnis von Querdehnung zu axialer Dehnung, wenn ein Material einer einachsigen Beanspruchung ausgesetzt ist. Es ist eine dimensionslose Menge, die typischerweise zwischen 0 und 0,5 liegt, wobei die meisten technischen Materialien zwischen 0,25 und 0,35 fallen. Stahl hat typischerweise ein Poisson's Ratio von etwa 0,3, während gummiähnliche Materialien sich 0,5 nähern, was auf ein nahezu inkompressibles Verhalten hinweist.

Für Materialien, die unterschiedliche Eigenschaften in verschiedenen Richtungen aufweisen, müssen Sie Orthotrope Elastizität oder Anisotrope Elastizität definieren. Orthotrope Materialien, wie Holz oder faserverstärkte Verbundwerkstoffe, haben drei zueinander senkrecht stehende Symmetrieebenen und erfordern neun unabhängige elastische Konstanten. Anisotrope Materialien haben keine Symmetrieebenen und benötigen bis zu 21 unabhängige elastische Konstanten für eine vollständige Charakterisierung.

Bestimmung der Dichte und der Masseneigenschaften

Die Dichte ist eine der grundlegendsten Materialeigenschaften und wird für nahezu alle Arten von Analysen bei ANSYS benötigt. Sie beeinflusst die Berechnung von Masse, Gewicht, Trägheit und Gravitationseffekten und ist für dynamische Analysen, Modalanalysen und jede Simulation mit Beschleunigungs- oder Körperkräften unerlässlich.

Um die Dichte für Ihr benutzerdefiniertes Material zu definieren, suchen Sie die Eigenschaft Dichte in der Liste der Materialeigenschaften und klicken Sie darauf, um das Eingabefeld zu aktivieren. Geben Sie den Dichtewert in die entsprechenden Einheiten ein. ANSYS unterstützt verschiedene Einheitensysteme, also stellen Sie sicher, dass Ihre Dichteeinheiten mit dem Gesamteinheitssystem Ihres Projekts übereinstimmen. Gemeinsame Einheiten enthalten Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m3), Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3) oder Pfund pro Kubikzoll (lb/in3).

Als Referenz hat Baustahl typischerweise eine Dichte von etwa 7850 kg/m3, Aluminiumlegierungen um 2700 kg/m3, Titanlegierungen um 4500 kg/m3 und gängige Polymere von 900 bis 1400 kg/m3. Wenn Sie mit Verbundwerkstoffen arbeiten, hängt die effektive Dichte von den Volumenanteilen und Dichten der einzelnen Materialien ab.

In einigen fortgeschrittenen Anwendungen müssen Sie möglicherweise die temperaturabhängige Dichte definieren, was besonders für thermische Analysen wichtig ist, bei denen signifikante Temperaturschwankungen auftreten. ANSYS ermöglicht es Ihnen, die Dichte als Funktion der Temperatur mithilfe von Tabellendaten oder mathematischen Ausdrücken einzugeben, was eine genauere Modellierung der thermischen Ausdehnung und Auftriebseffekte ermöglicht.

Hinzufügen von thermischen Eigenschaften

Thermische Eigenschaften sind für Wärmeübertragungsanalysen, thermische Belastungsanalysen und alle gekoppelten thermischen Struktursimulationen unerlässlich. Die primären thermischen Eigenschaften, die Sie definieren müssen, umfassen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und den Wärmeausdehnungskoeffizienten.

]Thermale Leitfähigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten und wird in Einheiten von Watt pro Meter Kelvin (W / m · K) oder ähnlichen Einheiten ausgedrückt. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer (ca. 400 W / m · K) oder Aluminium (ca. 200 W / m · K), übertragen effizient Wärme, während isolierende Materialien wie Polymere oder Keramiken viel niedrigere Werte haben, typischerweise von 0,1 bis 2 W / m · K.

Um Ihrem benutzerdefinierten Material die Wärmeleitfähigkeit hinzuzufügen, erweitern Sie die Eigenschaftskategorie Thermal und wählen Sie Isotropische Wärmeleitfähigkeit für Materialien mit einheitlichen thermischen Eigenschaften in allen Richtungen. Für Materialien wie faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die Wärme unterschiedlich entlang verschiedener Achsen leiten, wählen Sie Orthotropische Wärmeleitfähigkeit und definieren Sie separate Werte für jede Hauptrichtung.

Spezifische Wärmekapazität stellt die Energiemenge dar, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Masseeinheit um ein Grad zu erhöhen. Sie wird in Einheiten von Joule pro Kilogramm-Kelvin (J/kg·K) oder ähnlichen Einheiten ausgedrückt. Diese Eigenschaft ist entscheidend für transiente thermische Analysen, bei denen sich die Temperatur im Laufe der Zeit ändert. Metalle haben typischerweise spezifische Wärmekapazitäten von 400 bis 900 J/kg·K, während Wasser einen bemerkenswert hohen Wert von etwa 4180 J/kg·K hat.

Der -Koeffizient der thermischen Ausdehnung beschreibt, wie viel ein Material mit Temperaturänderungen ausdehnt oder kontrahiert. Er wird in Einheiten der inversen Temperatur ausgedrückt, typischerweise pro Grad Celsius (1/°C) oder pro Kelvin (1/K). Diese Eigenschaft ist entscheidend für thermische Spannungsanalysen, bei denen temperaturinduzierte Dimensionsänderungen Spannungen und Dehnungen erzeugen. Die meisten Metalle haben thermische Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10 bis 25 × 10−6 /°C, während Polymere typischerweise höhere Werte haben, die oft 50 × 10−6 /°C überschreiten.

Implementierung nichtlinearer Materialmodelle

Viele reale Materialien zeigen ein nichtlineares Verhalten, insbesondere wenn sie großen Verformungen, hohen Belastungen oder Belastungen ausgesetzt sind, die über die elastische Grenze hinausgehen. ANSYS bietet mehrere nichtlineare Materialmodelle, um diese Verhaltensweisen zu erfassen, einschließlich Plastizität, Hyperelastizität, Viskoelastizität und Kriechverhalten.

Plastikmodelle werden verwendet, um dauerhafte Verformungen zu simulieren, die auftreten, wenn Materialien über ihren Streckgrenze geladen werden. Das häufigste Plastizitätsmodell ist die bilineare isotrope Härtung, die es erfordert, dass Sie die Streckgrenze und den Tangentenmodul (die Steigung der Spannungs-Dehnungskurve im Kunststoffbereich) definieren. Um Ihrem benutzerdefinierten Material Plastizität hinzuzufügen, erweitern Sie die Nichtlinear Eigenschaftskategorie und wählen Sie Plastizität, wählen Sie dann das entsprechende Plastizitätsmodell aus und geben Sie die erforderlichen Parameter ein.

Für eine genauere Darstellung des Materialshärtungsverhaltens können Sie multilineare isotrope Härtung verwenden, die es Ihnen ermöglicht, die Spannungs-Dehnungs-Kurve mit mehreren Datenpunkten zu definieren. Dieser Ansatz ist besonders nützlich, wenn Sie experimentelle Spannungs-Dehnungs-Daten aus Materialtests haben.

Hyperelastische Modelle sind für Materialien konzipiert, die großen elastischen Verformungen unterliegen, wie Gummi, Elastomere und biologisches Gewebe. Übliche hyperelastische Modelle sind Mooney-Rivlin-, Neo-Hookean-, Ogden- und Yeoh-Modelle. Diese Modelle erfordern Materialkonstanten, die typischerweise aus experimentellen Testdaten abgeleitet werden, wie einachsige Spannung, biaxiale Spannung und Schertests. ANSYS bietet kurvenpassende Werkzeuge, die Ihnen helfen, diese Konstanten aus experimentellen Daten zu bestimmen.

Viscoelastic models capture time-dependent material behavior, where stress depends not only on strain but also on the rate of strain and loading history. These models are important for polymers, biological materials, and other materials that exhibit creep, stress relaxation, or rate-dependent behavior. Defining viscoelastic properties typically requires specifying relaxation moduli or creep compliance functions, often represented using Prony series parameters.

Bestimmung temperaturabhängiger Eigenschaften

Viele Materialeigenschaften variieren stark mit der Temperatur, und die Berücksichtigung dieser Variation ist entscheidend für die genaue Simulation von Systemen, die in weiten Temperaturbereichen arbeiten. ANSYS ermöglicht es Ihnen, praktisch jede Materialeigenschaft als Funktion der Temperatur zu definieren, was eine realistischere Modellierung der thermischen Auswirkungen auf das Materialverhalten ermöglicht.

Um eine temperaturabhängige Eigenschaft zu definieren, wählen Sie die Eigenschaft aus, die Sie temperaturabhängig machen möchten, und suchen Sie dann nach der Option, Temperaturabhängigkeit hinzuzufügen. Dies wird normalerweise durch ein kleines Symbol oder Kontrollkästchen neben dem Feld Eigenschaftswert angezeigt. Sobald Sie aktiviert sind, können Sie Eigenschaftswerte bei verschiedenen Temperaturen in einem Tabellenformat eingeben.

Wenn Sie beispielsweise einen temperaturabhängigen Young-Modul für Stahl definieren, geben Sie Werte bei 20 °C, 200 °C, 600 °C und 800 °C ein, was die allmähliche Abnahme der Steifigkeit mit zunehmender Temperatur widerspiegelt.

Stellen Sie sicher, dass Ihr Temperaturbereich alle Temperaturen abdeckt, die in Ihrer Simulation auftreten, einschließlich eines kleinen Spielraums, der über die erwarteten Extreme hinausgeht. Wenn die Simulationstemperatur außerhalb Ihres definierten Bereichs liegt, wird ANSYS typischerweise mit den nächstgelegenen Datenpunkten extrapolieren, was zu ungenauen Ergebnissen führen kann.

Arbeiten mit Composite-Materialien

Verbundwerkstoffe, insbesondere faserverstärkte Verbundwerkstoffe, erfordern aufgrund ihrer anisotropen Beschaffenheit und des Schichtaufbaus besondere Berücksichtigung. ANSYS bietet spezielle Werkzeuge zur Definition von Verbundwerkstoffen und Anordnungskonfigurationen über das Composite PrepPost (ACP) Modul, aber Sie können auch grundlegende orthotrope Eigenschaften direkt im Engineering Data Modul definieren.

Für ein orthotropes Basisverbundmaterial müssen Sie elastische Eigenschaften in drei Hauptrichtungen definieren: longitudinal (Faserrichtung), quer (senkrecht zu Fasern in der Ebene) und durchdringend. Die erforderlichen Eigenschaften umfassen drei Young's Moduli (Ex, Ey, Ez), drei Poisson's Verhältnisse (νxy, νyz, νxz) und drei Schermoduli (Gxy, Gyz, Gxz).

Wenn Sie diese Eigenschaften definieren, achten Sie sorgfältig auf das Koordinatensystem und stellen Sie sicher, dass die Materialorientierung korrekt mit Ihrer Geometrie ausgerichtet ist. Die Faserrichtung (normalerweise die x-Richtung in Materialkoordinaten) sollte mit der Richtung der maximalen Steifigkeit übereinstimmen. Quereigenschaften sind im Allgemeinen viel niedriger als die Längseigenschaften für unidirektionale Komposite, was den dominierenden Beitrag von Fasern zur mechanischen Leistung widerspiegelt.

Für komplexere Verbundstrukturen mit mehreren Schichten in unterschiedlichen Ausrichtungen sollten Sie das ACP-Modul in Betracht ziehen, das erweiterte Funktionen zur Definition von Lagenlayups, Orientierungen und Fehlerkriterien bietet. Dieser Ansatz ist besonders für Luft- und Raumfahrt- und Automobilanwendungen von Bedeutung, bei denen die Kompositoptimierung von entscheidender Bedeutung ist.

Importieren von Materialdaten aus externen Quellen

ANSYS unterstützt den Import von Materialdaten aus verschiedenen externen Quellen, was den Prozess der Erstellung von benutzerdefinierten Materialien erheblich rationalisieren kann, insbesondere wenn mit Materialdatenbanken oder vom Hersteller bereitgestellten Daten gearbeitet wird.

Um Materialdaten zu importieren, navigieren Sie im Gliederungsbaum zum Abschnitt Ingenieurdatenquellen und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Importoptionen. Wählen Sie Import und wählen Sie das entsprechende Dateiformat. ANSYS führt Sie durch den Importprozess und bildet die Daten aus Ihrer externen Quelle den entsprechenden Materialeigenschaften in der Struktur der Engineering-Daten zu.

Viele Materiallieferanten und Datenbanken stellen Daten in Formaten bereit, die mit ANSYS oder anderer Finite-Elemente-Analysesoftware kompatibel sind.MatWeb ist beispielsweise eine umfassende Online-Materialien-Eigenschaftsdatenbank, die Daten für Tausende von Materialien bereitstellt, die exportiert und in ANSYS importiert werden können. In ähnlicher Weise bieten einige kommerzielle Materialdatenbank-Softwarepakete eine direkte Integration mit ANSYS, die eine nahtlose Übertragung von Materialdefinitionen ermöglicht.

Wenn Sie Materialdaten importieren, überprüfen Sie immer, ob die importierten Eigenschaften korrekt und vollständig sind. Überprüfen Sie die Einheiten sorgfältig, da Einheitenumrechnungsfehler eine häufige Quelle von Problemen beim Importieren von Daten aus externen Quellen sind. Überprüfen Sie auch, ob alle erforderlichen Eigenschaften für Ihren Analysetyp importiert wurden.

Verwaltung von Materialbibliotheken

Wenn Sie mehrere benutzerdefinierte Materialien für verschiedene Projekte entwickeln, wird deren Organisation in wiederverwendbaren Materialbibliotheken immer wichtiger. ANSYS ermöglicht es Ihnen, benutzerdefinierte Materialbibliotheken zu erstellen, die projektübergreifend und mit anderen Teammitgliedern geteilt werden können, was die Konsistenz und Effizienz Ihres Simulationsworkflows fördert.

Um eine benutzerdefinierte Materialbibliothek zu erstellen, definieren Sie zunächst alle Materialien, die Sie in die Bibliothek in einer Engineering Data-Quelle aufnehmen möchten. Sobald Ihre Materialien definiert sind, können Sie die gesamte Engineering Data-Quelle als Bibliotheksdatei exportieren. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Engineering Data-Quelle im Gliederungsbaum und wählen Sie Export aus. Wählen Sie einen Speicherort und einen Dateinamen für Ihre Bibliothek, der mit einer .xml-Erweiterung gespeichert wird.

Um eine benutzerdefinierte Materialbibliothek in anderen Projekten zu verwenden, öffnen Sie das Engineering Data-Modul und fügen eine neue Engineering Data-Quelle hinzu, indem Sie auf das entsprechende Symbol in der Symbolleiste klicken. Wählen Sie Ingenieuring Data Sources und wählen Sie eine Bibliothek hinzuzufügen. Stöbern Sie in Ihrer gespeicherten Bibliotheksdatei und fügen Sie sie dem Projekt hinzu. Alle in dieser Bibliothek definierten Materialien stehen jetzt für die Verwendung in Ihrem aktuellen Projekt zur Verfügung.

Die Pflege von gut organisierten Materialbibliotheken mit klaren Namenskonventionen und Dokumentationen ist für die langfristige Produktivität unerlässlich. Erwägen Sie, separate Bibliotheken für verschiedene Materialkategorien (Metalle, Polymere, Verbundwerkstoffe) oder für verschiedene Projekte oder Kunden zu erstellen. Geben Sie beschreibende Namen an und fügen Sie, wenn möglich, Anmerkungen oder Kommentare in die Materialdefinitionen ein, um die Quelle der Immobiliendaten, die getroffenen Annahmen oder besondere Überlegungen für die Verwendung des Materials zu dokumentieren.

Zuweisung von Custom Materials zur Geometrie

Nachdem Sie Ihre individuellen Materialeigenschaften im Engineering Data Modul definiert haben, ist der nächste Schritt, diese Materialien den entsprechenden Komponenten oder Körpern in Ihrem Simulationsmodell zuzuordnen. Dieser Prozess erfolgt in der mechanischen Anwendung innerhalb der ANSYS Workbench, nachdem Sie Ihre Geometrie und Verzahnung eingerichtet haben.

Um ein Material zuzuweisen, stellen Sie zunächst sicher, dass Ihre Engineering-Daten ordnungsgemäß mit Ihrer mechanischen Analyse verknüpft sind. Im Projektschematik sollten Sie eine Verbindungslinie zwischen der Engineering-Datenzelle und Ihrem Analysesystem sehen.

Öffnen Sie die mechanische Anwendung, indem Sie auf die Modell- oder Setup-Zelle in Ihrem Analysesystem doppelklicken. In der mechanischen Benutzeroberfläche zeigt der Umrissbaum links die Struktur Ihres Modells, einschließlich Geometrie, Koordinatensysteme, Verbindungen, Mesh und Analyseeinstellungen. Erweitern Sie den Zweig Geometrie, um alle Körper oder Teile in Ihrem Modell zu sehen.

Um einem Körper ein Material zuzuweisen, wählen Sie den Körper im Umrissbaum aus oder indem Sie im Grafikfenster darauf klicken. Im Detail-Bereich (normalerweise am unteren Rand des Bildschirms) sehen Sie verschiedene Eigenschaften für den ausgewählten Körper, einschließlich einer Zeile mit der Aufschrift Material. Klicken Sie auf das Dropdown-Menü in der Materialzeile, um eine Liste aller verfügbaren Materialien zu sehen, einschließlich sowohl der Standard-ANSYS-Materialien als auch aller benutzerdefinierten Materialien, die Sie in Engineering Data definiert haben.

Wenn das Modell mehrere Körper enthält, die dasselbe Material verwenden sollen, können Sie mehrere Körper gleichzeitig auswählen (mit Strg + Klick oder Shift + Klick) und das Material allen gleichzeitig zuweisen.

Bei komplexen Baugruppen mit vielen Komponenten sollten Sie die Funktion Materialzuweisung in Betracht ziehen, die eine effizientere Schnittstelle für die Zuordnung von Materialien zu mehreren Körpern bietet.

Überprüfung der Materialzuweisungen

Nachdem Sie Materialien Ihrer Geometrie zugeordnet haben, müssen Sie vor der Analyse unbedingt überprüfen, ob alle Zuordnungen korrekt sind. Falsche Materialzuordnungen sind eine häufige Quelle von Simulationsfehlern und können zu unrealistischen Ergebnissen führen, die möglicherweise nicht sofort offensichtlich sind.

Beginnen Sie mit der visuellen Inspektion der Materialzuordnungen im Umrissbaum. Erweitern Sie den Geometriezweig und überprüfen Sie jeden Körper, um sicherzustellen, dass ihm das richtige Material zugewiesen ist. Körper ohne Materialzuweisungen zeigen normalerweise ein Warnsymbol oder eine Anzeige "Strukturstahl" oder ein anderes Standardmaterial an. Stellen Sie sicher, dass keine Körper mit Standardmaterialien übrig bleiben, es sei denn, dies ist beabsichtigt.

Wenn man das Grafikfenster benutzt, um Körper nach Material zu farblich zu kodieren, was eine schnelle visuelle Überprüfung der Materialzuordnungen ermöglicht. In der mechanischen Benutzeroberfläche können Sie die Anzeigeeinstellungen ändern, um verschiedene Farben für verschiedene Materialien anzuzeigen, so dass es einfach ist, falsch zugewiesene Materialien auf einen Blick zu identifizieren. Dies ist besonders nützlich für komplexe Baugruppen, bei denen mehrere Materialien verwendet werden.

Wenn Sie die Details für jeden Körper überprüfen, um zu bestätigen, dass die Materialeigenschaften wie erwartet sind, klicken Sie auf den Materialnamen, um eine Zusammenfassung der Materialeigenschaften zu öffnen und zu überprüfen, ob Schlüsselwerte wie Dichte, Elastizitätsmodul und Poisson's Verhältnis Ihren beabsichtigten Spezifikationen entsprechen.

Bevor Sie die vollständige Analyse durchführen, sollten Sie eine einfache Prüfanalyse mit minimalen Rechenanforderungen durchführen. z. B. eine statische Strukturanalyse mit einem einfachen Lastfall durchführen, um zu überprüfen, ob sich das Modell wie erwartet verhält. Überprüfen Sie die Verformungs- und Spannungsergebnisse, um sicherzustellen, dass sie sich in einem angemessenen Bereich für die verwendeten Materialien und Belastungen befinden. Unerwartete Ergebnisse in diesem Stadium weisen oft auf Materialzuordnungsfehler oder falsche Materialeigenschaften hin.

Vorläufige Simulationen

Sobald Materialien zugewiesen und verifiziert sind, dient die Ausführung einer Vorsimulation als wichtiger Validierungsschritt, bevor rechenintensivere Analysen durchgeführt werden.Eine Vorsimulation hilft, Probleme mit Materialdefinitionen, Randbedingungen oder Modellaufbau zu identifizieren, die zu Konvergenzproblemen oder unrealistischen Ergebnissen führen könnten.

Konfigurieren Sie eine vereinfachte Version Ihrer beabsichtigten Analyse mit möglichst geringer Komplexität, z. B. ein gröberes Gitter, vereinfachte Ladebedingungen oder eine kürzere Zeitdauer für transiente Analysen. Das Ziel ist es, schnell Ergebnisse zu erhalten, damit Sie das Materialverhalten überprüfen können, ohne dass Sie erhebliche Rechenzeit investieren.

Stellen Sie Ihre Analyseeinstellungen, Randbedingungen und Belastungen entsprechend Ihren Simulationszielen ein. Stellen Sie sicher, dass alle notwendigen Einschränkungen angewendet werden, um starre Körperbewegungen zu verhindern, und dass Belastungen auf physikalisch realistische Weise angewendet werden. Achten Sie bei nichtlinearen Analysen besonders auf Lastschritt- und Konvergenzkriterien, da benutzerdefinierte Materialien mit nichtlinearen Eigenschaften möglicherweise eine sorgfältigere Kontrolle der Lösungsparameter erfordern.

Starten Sie die Lösung, indem Sie auf die Schaltfläche Solve in der mechanischen Schnittstelle klicken. Überwachen Sie den Lösungsfortschritt durch das Fenster mit den Lösungsinformationen, das Konvergenzverhalten, Warnungen und Fehler anzeigt. Achten Sie auf Warnmeldungen, die sich auf Materialeigenschaften beziehen, wie negative Poisson-Verhältnisse, unrealistische Eigenschaftswerte oder temperaturabhängige Eigenschaften, die außerhalb ihres definierten Bereichs bewertet werden.

Wenn die Lösung erfolgreich abgeschlossen ist, gehen Sie mit der Untersuchung der Ergebnisse fort. Wenn die Lösung nicht konvergiert oder mit Fehlern endet, überprüfen Sie die Fehlermeldungen sorgfältig, da sie oft spezifische Informationen über die Ursache des Problems liefern. Häufige Probleme sind Materialeigenschaften, die mit dem Analysetyp unvereinbar sind, fehlende erforderliche Eigenschaften oder Materialverhalten, das zu numerischen Instabilitäten führt.

Analyse und Validierung von Ergebnissen

Nachdem Sie Ergebnisse aus Ihrer vorläufigen Simulation erhalten haben, ist eine gründliche Analyse und Validierung dieser Ergebnisse entscheidend, um sicherzustellen, dass sich Ihr benutzerdefiniertes Material wie erwartet verhält.

Wenn man zum Beispiel ein sehr steifes Material mit hohem Elastizitätsmodul definiert hat, dann sollte man relativ kleine Verformungen sehen. Umgekehrt sollten nachgiebige Materialien größere Verformungen unter den gleichen Belastungsbedingungen zeigen.

Überprüfen Sie die Spannungsverteilungen in Ihrem Modell, wobei Sie besonders auf Bereiche mit hoher Spannungskonzentration achten. Stellen Sie sicher, dass die maximalen Spannungswerte in den erwarteten Bereichen liegen, basierend auf den aufgebrachten Belastungen und der Geometrie. Überprüfen Sie bei Materialien mit definierter Streckgrenze oder Endfestigkeit, ob Spannungen diese Grenzen überschreiten, was auf plastische Verformung oder mögliches Versagen hindeuten würde.

Bei linearen elastischen Materialien sollte die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung dem Hooke-Gesetz folgen, wobei das Verhältnis von Spannung zu Dehnung dem Elastizitätsmodul entspricht.

Für thermische Analysen, Temperaturverteilungen und Wärmeflussergebnisse überprüfen. Überprüfen Sie, ob Wärme wie erwartet von heißen in kalte Regionen fließt und dass die Wärmeübertragungsrate mit der von Ihnen definierten Wärmeleitfähigkeit übereinstimmt. Überprüfen Sie, ob temperaturabhängige Eigenschaften bei geeigneten Temperaturen bewertet werden und dass sich das Materialverhalten im gesamten Temperaturbereich entsprechend ändert.

Vergleichen Sie Ihre Simulationsergebnisse mit allen verfügbaren experimentellen Daten, analytischen Lösungen oder Ergebnissen aus ähnlichen Analysen. Dieser Vergleich bietet die strengste Validierung Ihres Materialmodells. Wenn experimentelle Daten verfügbar sind, berechnen Sie die prozentuale Differenz zwischen simulierten und gemessenen Werten für Schlüsselgrößen wie maximale Verschiebung, Spitzenspannung oder Ausfalllast. Unterschiede von mehr als 10-20% können auf Probleme mit Materialeigenschaften oder anderen Aspekten des Modells hinweisen.

Eigenschaften von Raffinationsmaterial

Basierend auf den Ergebnissen Ihrer vorläufigen Simulationen und Validierungsbemühungen müssen Sie möglicherweise Ihre Materialeigenschaften verfeinern, um eine bessere Übereinstimmung mit erwartetem Verhalten oder experimentellen Daten zu erzielen. Dieser iterative Verfeinerungsprozess ist ein normaler Teil der Entwicklung genauer Materialmodelle, insbesondere für komplexe Materialien oder wenn Sie mit begrenzten Materialdaten arbeiten.

Wenn Ihre Simulationsergebnisse nicht den Erwartungen entsprechen, bewerten Sie systematisch, welche Materialeigenschaften möglicherweise angepasst werden müssen. Wenn beispielsweise Verformungen größer sind als erwartet, könnte der Elastizitätsmodul zu niedrig sein. Wenn die thermische Reaktion zu langsam ist, könnte die spezifische Wärmekapazität zu hoch oder die Wärmeleitfähigkeit zu niedrig sein. Verwenden Sie technisches Urteil und Verständnis des Materialverhaltens, um Ihre Einstellungen zu steuern.

Kehren Sie zum Modul Engineering Data zurück, um Materialeigenschaften zu ändern. Nehmen Sie inkrementelle Änderungen statt großer Anpassungen vor, da Sie so die Empfindlichkeit Ihrer Ergebnisse für jede Eigenschaft besser verstehen können. Dokumentieren Sie jede Änderung, die Sie vornehmen, und die Gründe dafür, erstellen Sie eine Aufzeichnung Ihres Materialentwicklungsprozesses, die für zukünftige Referenzen oder für die Erklärung Ihres Modellierungsansatzes für andere nützlich sein kann.

Nachdem Sie die Materialeigenschaften geändert haben, aktualisieren Sie die Materialzuweisung in Ihrem mechanischen Modell. ANSYS aktualisiert Materialzuweisungen normalerweise automatisch, wenn Sie die Eigenschaften in Engineering Data ändern, aber es ist eine gute Praxis, zu überprüfen, ob die Änderungen in Ihr Modell übertragen wurden. Möglicherweise müssen Sie mit der rechten Maustaste auf die Engineering Data-Zelle im Projektschematik klicken und Update auswählen, um sicherzustellen, dass Änderungen berücksichtigt werden.

Führen Sie Ihre Simulation mit den aktualisierten Materialeigenschaften durch und vergleichen Sie die neuen Ergebnisse mit den vorherigen Ergebnissen und mit Ihren Validierungszielen. Dieser iterative Prozess der Simulation, des Vergleichs, der Anpassung und der Resimulation wird fortgesetzt, bis Sie eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Ihrem Modell und dem erwarteten Verhalten erzielen. Für kritische Anwendungen sollten Sie Sensitivitätsstudien durchführen, um zu verstehen, wie sich Variationen der Materialeigenschaften auf Ihre Ergebnisse auswirken, was hilft, zu identifizieren, welche Eigenschaften die genaueste Charakterisierung benötigen.

Fortgeschrittene Materialmodellierungstechniken

Abgesehen von der grundlegenden Definition der Materialeigenschaften bietet ANSYS fortschrittliche Materialmodellierungsmöglichkeiten, die die Simulation komplexer Materialverhaltensweisen in spezialisierten Anwendungen ermöglichen. Diese fortschrittlichen Techniken erfordern ein tieferes Verständnis der Materialwissenschaft und konstitutiven Modellierung, bieten aber eine deutlich verbesserte Genauigkeit für anspruchsvolle Probleme.

Benutzerdefinierte Materialien ermöglichen es Ihnen, benutzerdefinierte konstitutive Modelle zu implementieren, die in der Standard-ANSYS-Materialbibliothek nicht verfügbar sind. Diese Funktion wird über benutzerprogrammierbare Funktionen (UPFs) wie UserMat oder UserMatTh-Unterprogramme, die in Fortran oder C geschrieben und in ANSYS kompiliert sind, zugegriffen. Benutzerdefinierte Materialien sind für hochmoderne Forschungsanwendungen oder proprietäre Materialmodelle unerlässlich, die von Organisationen für ihre spezifischen Materialien entwickelt wurden.

Schadens- und Versagensmodelle sagen Materialabbau und -versagen unter verschiedenen Belastungsbedingungen voraus. ANSYS bietet mehrere Versagenskriterien für verschiedene Materialtypen, einschließlich maximaler Spannung, maximaler Dehnung, Tsai-Wu- und Hashin-Kriterien für Verbundwerkstoffe sowie duktile und spröde Versagensmodelle für Metalle und Keramik. Die Implementierung dieser Modelle erfordert die Definition von Fehlerparametern wie Zug- und Druckfestigkeiten in mehrere Richtungen.

Ratenabhängige Plastizität Modelle erfassen die Wirkung der Dehnungsrate auf das Materialausbeute- und Härteverhalten, was für Aufprall-, Crash- und Hochgeschwindigkeitsumformungssimulationen wichtig ist. Diese Modelle erfordern zusätzliche Materialparameter, die beschreiben, wie sich die Streckgrenze und das Härteverhalten mit der Dehnungsrate ändern, typischerweise erhalten aus Hochgeschwindigkeitstests wie Split Hopkinson-Bar-Experimenten.

Phasentransformationsmodelle simulieren Materialien, die während der Verarbeitung oder des Service Phasenänderungen durchlaufen, wie Formgedächtnislegierungen oder Materialien, die sich martensitisch transformieren.

Problembehandlung bei Problemen mit der allgemeinen Materialdefinition

Selbst erfahrene ANSYS-Benutzer stoßen gelegentlich auf Probleme bei der Definition und Implementierung von benutzerdefinierten Materialien. Das Verständnis von häufigen Problemen und deren Lösungen kann während des Materialentwicklungsprozesses viel Zeit und Frustration sparen.

Einheiteninkonsistenzen gehören zu den häufigsten Fehlerquellen. ANSYS ermöglicht es Ihnen, in verschiedenen Einheitensystemen zu arbeiten, aber alle Eigenschaften für ein bestimmtes Material müssen miteinander und mit den gesamten Modelleinheiten konsistent sein. Wenn Sie beispielsweise in SI-Einheiten mit Metern, Kilogramm und Sekunden arbeiten, sollte Ihr Elastizitätsmodul in Pascal (Pa), Dichte in kg / m3 und Wärmeleitfähigkeit in W / m · K sein. Verwenden Sie ANSYS-Einheitenumwandlungswerkzeuge oder konvertieren Sie alle Eigenschaften sorgfältig in ein konsistentes Einheitensystem vor der Eingabe.

Fehlende erforderliche Eigenschaften verursachen Analysefehler, wenn ANSYS eine Eigenschaft benötigt, die nicht definiert wurde. Verschiedene Analysetypen erfordern unterschiedliche Eigenschaften; zum Beispiel erfordern thermische Analysen Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme, während strukturelle Analysen elastische Eigenschaften und Dichte erfordern. Überprüfen Sie die Anforderungen an den Analysetyp und stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen Eigenschaften definiert sind. ANSYS liefert typischerweise Warnmeldungen, die anzeigen, welche Eigenschaften fehlen.

Physikalisch unrealistische Eigenschaftswerte können zu Konvergenzproblemen oder unsinnigen Ergebnissen führen. Poissons Verhältnis muss für die meisten Materialien zwischen -1 und 0,5 liegen (normalerweise 0 bis 0,5), der Elastizitätsmodul muss positiv und die Wärmeleitfähigkeit muss positiv sein. Wenn Sie versehentlich negative Werte oder Werte außerhalb physikalisch vernünftiger Bereiche eingeben, kann ANSYS Warnungen ausgeben oder die Lösung kann nicht konvergieren.

Temperaturabhängige Eigenschafts-Extrapolation Probleme treten auf, wenn die Simulationstemperatur den Bereich Ihrer definierten temperaturabhängigen Eigenschaften überschreitet. ANSYS extrapoliert über den definierten Bereich hinaus, was zu unrealistischem Verhalten führen kann. Definieren Sie immer temperaturabhängige Eigenschaften über einen Bereich, der alle erwarteten Simulationstemperaturen umfasst, plus einen Sicherheitsabstand.

Materialorientierungsfehler sind bei anisotropen Materialien wie Kompositen üblich. Das Materialkoordinatensystem muss richtig auf die Geometrie ausgerichtet sein, um sicherzustellen, dass Richtungseigenschaften (wie die Faserrichtung in Kompositen) korrekt ausgerichtet sind. Verwenden Sie Koordinatensystemwerkzeuge in ANSYS, um Materialorientierungen zu definieren und zu visualisieren und zu überprüfen, ob die Hauptmaterialrichtungen mit den beabsichtigten Faser- oder Kornrichtungen übereinstimmen.

Best Practices für das Materialdatenmanagement

Eine effektive Verwaltung von Materialdaten ist für die Aufrechterhaltung von Genauigkeit, Konsistenz und Effizienz bei mehreren Projekten und Teammitgliedern unerlässlich. Die Implementierung robuster Materialdatenmanagementpraktiken hilft, Fehler zu vermeiden, erleichtert die Zusammenarbeit und gewährleistet die Rückverfolgbarkeit von Materialquellen.

Dokumentmaterial-Eigenschaftsquellen für jedes von Ihnen erstellte benutzerdefinierte Material. Geben Sie an, woher jeder Eigenschaftswert stammt, sei es aus Materialprüfungen, Literatur, Herstellerdatenblättern oder technischen Schätzungen. Fügen Sie Verweise auf bestimmte Dokumente, Testberichte oder Publikationen hinzu. Diese Dokumentation ist entscheidend für die Qualitätssicherung, die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und zukünftige Überprüfungen oder Aktualisierungen von Materialeigenschaften.

Implementieren Sie die Versionskontrolle für Materialbibliotheken, insbesondere in kollaborativen Umgebungen. Da Materialeigenschaften auf der Grundlage neuer Daten oder Tests verfeinert oder aktualisiert werden, behalten Sie eine Historie von Änderungen mit klaren Versionsnummern und Änderungsprotokollen bei. Diese Vorgehensweise ermöglicht es Ihnen, zu verfolgen, wie sich Materialdefinitionen entwickelt haben, und bei Bedarf auf frühere Versionen zurückzugreifen.

Verwende konsistente Namenskonventionen für alle Materialien und Projekte. Entwickeln Sie ein standardisiertes Namensschema, das relevante Informationen wie Materialtyp, Grad, Spezifikationsstandard und alle Änderungen enthält. Zum Beispiel zeigt "Steel ASTM A36 Modified HighTemp" eindeutig den Materialtyp, die Spezifikation und dass es sich um eine modifizierte Version für Hochtemperaturanwendungen handelt.

Validieren von Materialien, bevor Sie sie zu freigegebenen Bibliotheken hinzufügen. Bevor Sie ein benutzerdefiniertes Material anderen Teammitgliedern über eine freigegebene Bibliothek zur Verfügung stellen, sollten Sie es durch Testsimulationen und Vergleiche mit bekannten Ergebnissen gründlich validieren. Dieser Qualitätskontrollschritt verhindert die Ausbreitung von Fehlern über mehrere Projekte hinweg und behält das Vertrauen in freigegebene Materialressourcen.

Überprüfen und aktualisieren Sie regelmäßig Materialbibliotheken, wenn neue Daten verfügbar werden oder sich die Materialspezifikationen ändern. Planen Sie regelmäßige Überprüfungen Ihrer Materialbibliotheken, um sicherzustellen, dass die Eigenschaften aktuell und korrekt bleiben. Entfernen Sie veraltete Materialien und aktualisieren Sie bestehende basierend auf den neuesten verfügbaren Daten oder Testergebnissen.

Integration von Materialprüfdaten

Für die genauesten Materialmodelle liefert die Integration von Daten aus der physikalischen Materialprüfung Eigenschaften, die genau Ihre spezifische Materialcharge oder -formulierung repräsentieren. ANSYS bietet Werkzeuge, die Ihnen helfen, experimentelle Daten zu verarbeiten und in Materialdefinitionen einzubinden, insbesondere für nichtlineare Materialverhalten.

Die Zugfestigkeits-Dehnungsdaten sind die häufigste Quelle für Materialeigenschaften von Strukturwerkstoffen. Ein Standard-Zugtest liefert Spannungs-Dehnungsdaten, die zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls, der Dehngrenze, der Zugfestigkeit und des Zughärtungsverhaltens verwendet werden können. Um diese Daten in ANSYS einzuarbeiten, verarbeiten Sie zuerst die Rohtestdaten, um echte Spannungs- und Dehnungswerte zu extrahieren, die für die sich ändernde Querschnittsfläche während des Tests verantwortlich sind.

Für elastische Eigenschaften berechnen Sie den Elastizitätsmodul aus der Steigung des linearen Teils der Spannungs-Dehnungskurve. Stellen Sie sicher, dass Sie den anfänglichen linearen Bereich verwenden, bevor eine Nachgiebigkeit auftritt. Poissons Verhältnis kann aus dem Verhältnis von Querdehnung zu axialer Dehnung während der elastischen Belastung bestimmt werden, was sowohl die Messung von axialen als auch von Querdehnungen während des Tests erfordert.

Für das plastische Verhalten wird der plastische Teil der Spannungs-Dehnungskurve extrahiert, indem die elastische Dehnung von der Gesamtdehnung subtrahiert wird. Diese plastischen Spannungs-Dehnungs-Daten werden in ANSYS eingegeben, wobei das multilineare isotrope Härtungsmodell verwendet wird, das tabellarische Daten akzeptiert. ANSYS wird diese Daten verwenden, um die plastische Verformung über den Streckgrenze hinaus zu modellieren.

Für hyperelastische Materialien wie Elastomere sind in der Regel mehrere Testtypen erforderlich, um das Materialverhalten vollständig zu charakterisieren. Dazu gehören einachsige Spannung, biaxiale Spannung, planare Spannung (reine Scherung) und volumetrische Kompressionstests. ANSYS bietet kurvenpassende Werkzeuge, die Daten aus diesen mehreren Testtypen nehmen und die Materialkonstanten für verschiedene hyperelastische Modelle bestimmen. Zugriff auf diese Werkzeuge über die Engineering Data-Schnittstelle, indem Sie das entsprechende hyperelastische Modell auswählen und Ihre Testdaten eingeben.

Die Prüfung der thermischen Eigenschaften liefert Daten für die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärme und die thermische Ausdehnung. Die Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) misst die spezifische Wärmekapazität als Funktion der Temperatur, während die thermisch-mechanische Analyse (TMA) Daten über den Wärmeausdehnungskoeffizienten liefert. Die Wärmeleitfähigkeit wird typischerweise mit stationären oder transienten Heißdrahtmethoden gemessen. Diese temperaturabhängigen Daten werden in ANSYS unter Verwendung des tabellarischen Eingabeformats für temperaturabhängige Eigenschaften eingegeben.

Material Property Datenbanken und Ressourcen

Es stehen zahlreiche Ressourcen zur Verfügung, um Materialeigenschaftendaten zu erhalten, wenn physische Tests nicht möglich sind oder wenn mit Standardmaterialien gearbeitet wird. Die Nutzung dieser Datenbanken und Ressourcen kann den Materialdefinitionsprozess erheblich beschleunigen und gleichzeitig eine angemessene Genauigkeit gewährleisten.

MatWeb ist eine der umfassendsten kostenlosen Online-Materialiendatenbanken, die Daten für über 150.000 Materialien enthält, darunter Metalle, Polymere, Keramik und Verbundwerkstoffe. Die Datenbank bietet durchsuchbaren Zugriff auf Materialeigenschaften von Herstellern und Prüflabors mit Datenblättern, die für den Einsatz in Simulationen exportiert werden können.

Das NIST Materials Data Repository bietet kuratierte, qualitativ hochwertige Materialeigenschaftsdaten mit Schwerpunkt auf Messunsicherheit und Rückverfolgbarkeit. Diese Ressource ist besonders wertvoll für Anwendungen, die gut dokumentierte, zuverlässige Eigenschaftsdaten mit bekannter Genauigkeit erfordern.

Materialherstellerdatenblätter sind ausgezeichnete Quellen für Eigenschaften bestimmter kommerzieller Materialien. Die meisten Hersteller stellen technische Datenblätter für ihre Produkte bereit, die wichtige mechanische, thermische und physikalische Eigenschaften enthalten. Wenn Sie Herstellerdaten verwenden, sollten Sie sich bewusst sein, dass Eigenschaften typische Werte anstelle von garantierten Mindestwerten darstellen können und auf spezifischen Testbedingungen basieren können, die sich von Ihrer Anwendung unterscheiden.

Industrienormen und Handbücher wie die ASM-Handbuchreihe, MMPDS (Metallic Materials Properties Development and Standardization) und verschiedene ASTM-Normen liefern umfassende Materialeigenschaftendaten für Standardmaterialien. Diese Quellen sind besonders wertvoll für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und andere regulierte Industrien, in denen die Materialspezifikationen den festgelegten Standards entsprechen müssen.

Wissenschaftliche Literatur und Forschungsarbeiten enthalten oft detaillierte Materialcharakterisierungsdaten, insbesondere für neuartige Materialien oder spezialisierte Anwendungen.Bei Verwendung von Literaturdaten sollten die Testbedingungen, die Probenvorbereitungsmethoden und alle von den Autoren erwähnten besonderen Überlegungen sorgfältig beachtet werden, da diese Faktoren die gemessenen Eigenschaften erheblich beeinflussen können.

Exportieren und Teilen von benutzerdefinierten Materialien

Sobald Sie benutzerdefinierte Materialien entwickelt und validiert haben, erfordert die gemeinsame Nutzung mit Kollegen oder die Verwendung über mehrere Projekte hinweg angemessene Export- und Dokumentationsverfahren. ANSYS bietet mehrere Mechanismen zum Export und zur gemeinsamen Nutzung von Materialdefinitionen, während die Datenintegrität und Rückverfolgbarkeit erhalten bleibt.

Um ein einzelnes Material oder einen Satz von Materialien zu exportieren, öffnen Sie das Modul Engineering Data und wählen Sie die Materialien aus, die Sie im Gliederungsbaum exportieren möchten. Rechtsklicken und wählen Sie Export aus dem Kontextmenü. Wählen Sie einen Ort und einen Dateinamen für die Exportdatei, die im XML-Format gespeichert werden. Diese XML-Datei enthält alle Eigenschaftsdefinitionen für die ausgewählten Materialien und kann in andere ANSYS-Projekte importiert werden.

Zum Teilen von Material innerhalb einer Organisation sollten Sie eine zentralisierte Materialbibliothek an einem gemeinsamen Netzwerkstandort einrichten. Erstellen einer gut organisierten Verzeichnisstruktur mit separaten Ordnern für verschiedene Materialkategorien oder Projekte. Speichern Sie exportierte Materialbibliotheksdateien an diesen Standorten mit klaren Namensgebungs- und Begleitdokumentationsdateien, die die Materialien, ihre Quellen, den Validierungsstatus und alle Nutzungshinweise beschreiben.

Wenn Materialien freigegeben werden, umfassende Dokumentation einschließen, die die Eigenschaften, Quellen, Validierungsstatus und empfohlenen Anwendungen jedes Materials beschreibt. Erstellen einer Readme-Datei oder eines Materialspezifikationsdokuments, das der Materialbibliotheksdatei beigefügt ist, und den Benutzern die Informationen zur Verfügung stellen, die sie benötigen, um die Materialien in ihren Simulationen ordnungsgemäß anzuwenden.

Für Kooperationsprojekte, an denen mehrere Organisationen beteiligt sind, klare Protokolle für den Materialdatenaustausch festlegen. Definieren Sie, welche Materialeigenschaften erforderlich sind, welche Dokumentation Materialdefinitionen begleiten müssen und wie Materialaktualisierungen oder -revisionen kommuniziert werden. Diese Koordination stellt sicher, dass alle Parteien konsistente Materialdefinitionen verwenden und das Risiko von Fehlern aufgrund von Fehlkommunikation reduziert.

Erwägen Sie die Implementierung von Zugriffskontrollen und Genehmigungsprozessen für freigegebene Materialbibliotheken in Produktionsumgebungen. Bestimmte Personen als Materialbibliotheksadministratoren zu benennen, die neue Materialien prüfen und genehmigen, bevor sie zu freigegebenen Bibliotheken hinzugefügt werden. Diese Qualitätskontrollmaßnahme hilft, die Integrität und Zuverlässigkeit gemeinsam genutzter Materialressourcen zu erhalten.

Schlussfolgerung

Die Erstellung von benutzerdefinierten Materialien in ANSYS ist eine grundlegende Fähigkeit, die es Ingenieuren ermöglicht, reale Materialien genau zu simulieren und zuverlässige, aussagekräftige Ergebnisse aus Finite-Elemente-Analysen zu erzielen. Dieser umfassende Prozess umfasst das Verständnis der Materialeigenschaftenanforderungen, den Zugriff auf und die Navigation im Engineering Data-Modul, die Definition von Eigenschaften, die von grundlegenden elastischen Konstanten bis hin zu komplexen nichtlinearen Verhaltensweisen reichen, und die Validierung von Materialmodellen durch sorgfältige Simulation und Vergleich mit experimentellen Daten.

Erfolg in der kundenspezifischen Materialentwicklung erfordert Aufmerksamkeit für Details, systematische Validierung und ordnungsgemäße Dokumentation. Indem Sie die in diesem Handbuch beschriebenen praktischen Schritte befolgen - von der anfänglichen Materialerstellung über die Zuordnung, Verifizierung und Verfeinerung - können Sie genaue Materialmodelle entwickeln, die die Genauigkeit Ihrer Simulationen verbessern. Ob Sie mit Standardmaterialien arbeiten, die Eigenschaftsanpassungen erfordern, spezialisierte Legierungen, fortschrittliche Komposite oder völlig neuartige Materialien, die hier beschriebenen Prinzipien und Techniken bieten eine solide Grundlage für eine effektive Materialmodellierung.

Denken Sie daran, dass die Materialmodellierung oft ein iterativer Prozess ist, der sich verbessert, wenn Sie mehr Daten und Erfahrungen mit bestimmten Materialien sammeln. Führen Sie eine gründliche Dokumentation Ihrer Materialdefinitionen, validieren Sie sie mit experimentellen Daten, wann immer möglich, und verfeinern Sie Ihre Modelle kontinuierlich, wenn neue Informationen verfügbar werden. Durch die Implementierung robuster Materialdatenmanagementpraktiken und die Nutzung verfügbarer Ressourcen wie Materialdatenbanken und Testdaten können Sie eine wertvolle Bibliothek mit benutzerdefinierten Materialien erstellen, die als strategisches Asset für Ihre Simulationsfähigkeiten dient.

Wenn Sie in Ihren ANSYS-Kenntnissen vorankommen, erkunden Sie ausgefeiltere Materialmodellierungstechniken wie benutzerdefinierte Materialien, erweiterte Fehlerkriterien und gekoppelte multiphysikalische Materialverhalten. Diese erweiterten Fähigkeiten eröffnen neue Möglichkeiten zur Simulation komplexer Phänomene und erweitern die Grenzen dessen, was durch Computeranalyse erreicht werden kann. Mit dem grundlegenden Wissen, das in diesem Leitfaden zur Verfügung gestellt wird, und fortgesetztem Üben und Lernen sind Sie gut ausgestattet, um zunehmend anspruchsvollere Materialmodellierungsaufgaben anzugehen und qualitativ hochwertige Simulationsergebnisse zu liefern, die bessere technische Entscheidungen treffen.