Abaqus 재료 모델에 대한 모든 정보

Abaqus에서 올바른 재료 모델을 선택하는 것은 정확하고 신뢰할 수 있는 결과를 보장하는 데 필수적입니다. 유한요소해석 (FEA). 선택된 재료 모델은 시뮬레이션 성능에 직접적인 영향을 미치며, 탄성, 소성 또는 파손과 같은 실제 거동을 예측하는 능력에 영향을 미칩니다. Abaqus는 다양한 재료 거동을 설명하는 다양한 옵션(Abaqus 재료 모델)을 제공하기 때문에 많은 엔지니어가 특정 사용 사례에 적합한 모델을 찾는 데 어려움을 겪습니다.

이 블로그에서는 Abaqus에서 재료 모델을 선택할 때 정보에 기반한 선택을 하는 방법을 설명합니다. 탄성 및 비탄성 모델, 복잡한 점탄성 재료 거동, 그리고 다음과 같은 Abaqus 재료 모델의 주요 유형을 다룹니다. 손상 유형. 선형 또는 Abaqus 비선형 재료 모델을 언제 사용해야 하는지 아는 것은 매우 중요하며, 본 가이드에서는 다양한 하중 조건에서 금속, 폴리머, 복합재와 같은 특정 재료에 적합한 다양한 모델을 설명합니다. 또한 선형 및 비선형 재료를 정의하고 사용하는 데 가장 중요한 전략도 다룹니다.

Abaqus의 재료 라이브러리는 선형 및 비선형, 등방성 및 이방성 재료 거동을 포괄적으로 제공합니다. 제공되는 기계적 거동 중 일부는 상호 배타적입니다. 즉, 이러한 거동은 단일 재료 정의에 함께 나타날 수 없습니다. 일부 거동은 다른 거동의 존재를 필요로 합니다. 예를 들어, 소성은 선형 탄성을 필요로 합니다. 이 블로그에서는 탄성 및 소성 재료의 거동 이해, 점탄성과 같은 시간 종속적 특성 처리, 점진적 손상 시뮬레이션 등 Abaqus에서 재료 모델링에 접근하는 방법을 배우게 됩니다. 이 블로그를 마치면 사용 가능한 모델 유형, 모델 사용 시기, 그리고 고급 기술을 사용하여 시뮬레이션의 정확도를 향상시키는 방법을 명확하게 이해하게 될 것입니다.

The Difference Between Linear and Non-linear Materials

유한요소해석(FEA)에서 선형 재료와 비선형 재료의 차이를 이해하는 것은 매우 중요합니다. 이는 정확한 시뮬레이션과 적절한 모델 선택을 보장하는 데 도움이 됩니다. Abaqus 재료 모델. 이 컨텍스트에서는 주요 차이점과 Abaqus가 두 가지 재료 유형을 처리하는 방식을 설명합니다.

그림 1: 재료의 선형 및 비선형 거동의 차이 [참조]

Linear Materials

선형 해석에서 구조물에 하중(힘이나 압력 등)을 가하면 변위(구조물이 움직이는 정도)는 하중에 직접 비례합니다.

그림 2: 선형 동작

이러한 모델은 재료 거동이 예측 가능하고 가역적인 미소 변형 및 응력 시나리오에 적합합니다. 선형 탄성의 가장 간단한 형태는 등방성 경우이며, 응력-변형률 관계는 다음과 같습니다.

탄성 특성은 탄성 계수, E 및 포아송 비를 제공하여 완전히 정의됩니다., . 전단 계수 G는 E와 다음과 같이 표현될 수 있습니다. . 이러한 매개변수는 필요한 경우 Abaqus에서 온도 및 기타 사전 정의된 필드의 함수로 제공될 수 있습니다.

평면 응력 는 특정 평면(xy 평면)에 수직인 수직 응력과 전단 응력이 0으로 가정되는 재료 내부의 단순화된 응력 상태입니다. 즉, 응력 성분은 시그마_지​, τ_엑스지​, 그리고 τ_와이즈​ 무시할 수 있는 것으로 간주됩니다. 이러한 조건은 일반적으로 판이나 시트와 같이 얇고 평평한 구조물에서 발생하며, 하중은 두께 전체에 걸쳐 균일하게 작용하고 구조물의 평면 내에서 작용합니다. 차체의 기하학적 구조는 한 치수(두께)가 다른 치수보다 상당히 작은 판과 유사합니다.

평면 응력에서 등방성 재료의 응력-변형 관계는 단순화되고 구성 행렬(또는 응력/변형 행렬)은 다음과 같습니다.

변형률 성분은 강성 행렬 [D]의 역수인 컴플라이언스 행렬 [C]를 사용하여 응력 성분으로 표현할 수 있습니다.

위 방정식에서 응력과 변형률은 선형 관계를 가지며, 이는 재료의 탄성 상태를 나타냅니다. 즉, 탄성 상태에서는 응력이 변형률에 정비례하여 변하고, 재료는 하중을 받은 후 원래 상태로 돌아갑니다. 이 원리를 탄성의 원리라고도 합니다.

선형 탄성 모델에는 한계가 있다는 점에 유의해야 합니다. 일반적으로 5% 미만의 작은 변형률에만 적합합니다. 큰 변형이나 소성을 다룰 때는 다음과 같은 더 복잡한 Abaqus 재료 모델이 필요합니다. 초탄성 또는 탄소성(elastoplastic)이 필요합니다. 전반적으로, 선형 탄성 모델의 특성과 한계를 이해하는 것은 적절한 재료 모델을 선택하고 Abaqus에서 정확한 시뮬레이션 결과를 보장하는 데 필수적입니다.

Nonlinear Materials

선형 재료와 비선형 재료의 차이는 중요한 개념입니다. 선형 재료는 응력과 변형률 사이에 예측 가능한 관계를 가지므로, 힘이 가해지면 비례하여 늘어나고 힘을 놓으면 원래 모양으로 돌아갑니다. 강철이나 고무와 같은 많은 일반적인 재료는 특정 응력과 변형률 범위 내에서 이러한 거동을 보입니다.

그러나 다양한 재료가 이러한 단순성을 무시하고 응력과 변형률 사이에 비례하지 않는 관계를 보입니다. 이것이 바로 비선형 재료입니다. 한 번 변형되면 새로운 형태를 유지하는 점토를 생각해 보세요. 이는 비선형성을 명확히 보여줍니다. 이러한 복잡성은 가소성, 큰 변형, 재료 손상, 시간 의존적 효과 등 다양한 요인에서 발생합니다. 본질적으로 비선형 재료는 응력과 변형률 사이에 예측 가능하고 일정한 비율을 따르지 않으며, 종종 영구 변형을 겪고 경로 의존성을 보입니다.

그림 3: 플라스틱 소재의 거동 예

소성 변형을 겪는 금속, 고분자, 생물 조직, 그리고 토양은 모두 비선형 재료의 범주에 속합니다. 이러한 재료의 거동을 이해하는 것은 모든 분야의 엔지니어와 과학자에게 매우 중요합니다. 예를 들어, 안전하고 효율적인 구조물을 설계하려면 다양한 하중 조건에서 재료가 어떻게 반응할지 정확하게 예측해야 합니다.

제조 과정에서 비선형성을 이해하면 공정을 최적화하고 맞춤형 특성을 가진 신소재를 개발하는 데 도움이 됩니다. 그러나 비선형 소재를 분석하는 것은 간단한 작업이 아닙니다. 복잡한 거동으로 인해 지배 방정식을 풀고 소재의 반응을 파악하기 위해 유한요소해석(FEA)과 같은 고급 수치 해석이 필요한 경우가 많습니다. 이러한 시뮬레이션은 계산 집약적이지만, 다양한 하중 하에서 소재의 거동에 대한 귀중한 통찰력을 제공하여 소재 선택, 설계 및 성능 최적화와 관련된 정보에 기반한 의사 결정을 가능하게 합니다.

Abaqus는 다양한 비선형 현상을 포괄하는 광범위한 내장 재료 모델 라이브러리를 제공합니다. 여기에는 큰 탄성 변형을 위한 초탄성, 영구 변형을 위한 소성, 시간 의존적 거동을 위한 점탄성, 크리프, 손상 및 파손이 포함됩니다. 또한, 사용자는 서브루틴을 통해 자신만의 Abaqus 재료 모델을 구현하여 특수 또는 고급 재료 응답을 처리할 수 있습니다.

Abaqus는 재료 모델 외에도 비선형성을 처리하는 다양한 해석 절차를 제공합니다. 정적 해석은 하중이 점진적으로 작용하고 관성 효과가 무시할 수 있는 문제에 사용되는 반면, 동적 해석은 관성 및 감쇠 효과를 고려하는 비선형 동적 문제를 다룹니다. 고도로 비선형적이고 과도적인 시나리오에서는 명시적 동역학을 사용하여 대변형, 접촉 및 재료 파괴를 정밀하게 처리합니다.

이 소프트웨어는 3차원 구조물을 위한 솔리드 요소, 얇은 벽 구조물을 위한 쉘 요소, 그리고 가느다란 구조물을 위한 보 및 트러스 요소를 포함한 다양한 요소 유형을 제공합니다. 또한, Abaqus는 변형 가능한 물체 간의 접촉, 자기 접촉, 마찰과 같이 비선형 문제에서 자주 발생하는 복잡한 접촉 및 상호작용 시나리오를 처리하는 데 탁월합니다.

결론적으로, 선형 및 비선형 Abaqus 재료 모델은 두 가지 뚜렷한 재료 거동 유형을 나타냅니다. 선형 재료는 단순성과 예측 가능성을 제공하는 반면, 비선형 재료는 어려움과 복잡성을 안고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 비선형 재료는 공학 및 자연계 모두에서 널리 사용되어 혁신과 최적화를 위한 방대한 기회를 제공합니다. 엔지니어와 과학자들은 비선형 재료를 모델링하고 이해하는 기술을 습득함으로써 항공우주 및 자동차 공학부터 생체역학 및 지반 공학에 이르기까지 다양한 분야의 발전을 위한 기반을 마련합니다.

그림 4: Abaqus에서 플라스틱 사용의 예: 이미지 A: 물체의 손상 분석 및 파단 시작, 이미지 B: 부품의 응력 분석

관찰한 바와 같이, 먼저 응력과 변형률 하에서 재료의 거동에 대한 기본 개념을 확립하고, 비례적인 반응을 보이는 재료(선형)와 그렇지 않은 재료(선형)를 구분합니다. 이러한 이해는 두 번째 섹션으로 직접 이어지며, 여기서는 엔지니어링 및 과학 응용 분야에서 다양한 재료의 거동을 시뮬레이션하고 예측하는 데 사용되는 다양한 모델을 다룹니다. 이러한 관계는 원하는 재료의 선형 또는 비선형 특성에 따라 적절한 Abaqus 재료 모델을 선택하는 데 있습니다. 이를 통해 정확하고 신뢰할 수 있는 시뮬레이션과 해석이 가능합니다. 두 번째 섹션에서는 이러한 기능을 사용하여 Abaqus 소프트웨어에서 이러한 유형의 문제를 사용하는 방법을 간략하게 살펴보겠습니다.

All Kinds of Abaqus Material Models

다양한 유형의 Abaqus 재료 모델을 이해하는 것은 프로젝트에 적합한 모델을 선택하는 첫 번째 단계입니다. Abaqus는 다양한 기계적 거동을 표현하는 다양한 모델을 제공합니다. 이 섹션에서는 탄성, 소성, 점탄성 및 J2 소성 모델에 대해 살펴보고 Abaqus 소프트웨어에서 이러한 모델을 사용하는 방법을 간략하게 설명합니다. 그런 다음, 균열이 어떻게 성장하고 손상되는지 살펴보기 위해 진행성 손상 모델을 간략하게 검토하고, 마지막으로 더 나은 Abaqus 재료 모델링을 위한 몇 가지 중요한 전략을 살펴보겠습니다.

Elastic Mechanical Models

탄성 모델은 변형 후 원래 모양으로 돌아오는 재료를 설명합니다. Abaqus에서는 변형이 작고 재료 거동이 탄성 한계 내에 있을 때 선형 탄성이 자주 사용됩니다. 이러한 거동은 저응력 조건의 금속, 세라믹, 그리고 여러 폴리머에서 흔히 볼 수 있습니다. 이러한 모델은 영구 변형이 발생하지 않는 작은 응력과 변형률을 갖는 금속에 이상적입니다.

선형 탄성 Abaqus 재료 모델을 정의하려면 사용자는 속성 모듈에서 영률, 푸아송 비, 그리고 (동적 솔버를 사용하여 문제를 해결하는 경우) 다음과 같은 속성을 지정해야 합니다. 해석 유형 및 재료 거동에 따라 열팽창 계수나 감쇠 계수와 같은 추가 속성이 필요할 수 있습니다.

그림 5: Abaqus에서 선형 재료 정의

Plastic and Inelastic Mechanical Abaqus Material Models

소성 변형은 재료가 탄성에서 소성으로 전이되는 임계점인 항복점을 넘어서는 응력을 받을 때 발생합니다. 항복점 이전에는 재료가 탄성적으로(회복적으로) 변형됩니다. 항복점을 지나면 영구적인(소성) 변형이 발생합니다. 항복 응력은 재료 역학에서 재료가 소성 변형을 겪기 시작하는 응력 수준을 정의하는 중요한 변수입니다.

재료가 탄성 변형에서 소성 변형으로 전이되는 임계점은 일반적으로 파스칼이나 psi와 같은 압력 단위로 측정됩니다. 이 핵심 지점인 항복점은 응력-변형률 관계가 선형성을 벗어나는 지점입니다. 중요한 점은 항복 응력이 재료에 따라 달라지는데, 강철과 같은 재료는 높은 항복 응력 값을 나타내는 반면, 알루미늄과 폴리머는 낮은 값을 나타냅니다.

그림 6: 응력과 변형률에 따른 재료의 탄성소성 거동을 보여줌 [참조]

Abaqus 재료 모델은 여러 가지를 제공합니다. Abaqus 가소성 재료 거동 및 하중 조건에 따라 사용할 수 있는 모델이 있습니다. 여기에는 고전적인 금속 소성 모델이 포함됩니다., 크립 모델, 점성소성 및 복잡한 동작에 대한 보다 특수화된 모델 연성 손상 그리고 점진적인 실패.

이제 응력 변형률 곡선에 대해 자세히 알고 싶고 Abaqus에서 정확하게 모델링하기 위해 이를 해석하는 방법을 알고 싶다면 이 블로그를 읽어보세요.“응력 변형률 곡선 설명 | 초보자 가이드“.

J2 Plasticity Model

고전적인 J2 소성 모델은 Abaqus에서 가장 일반적으로 사용되는 소성 모델로, 중간 정도의 소성 변형을 받는 금속에 적합합니다. 폰 미제스 항복 기준은 편차 응력 텐서의 두 번째 불변량이 임계값(항복 응력)에 도달할 때 항복이 발생한다고 가정합니다. 이러한 거동은 유동 규칙과 법률 강화. 재료는 다음과 같은 경우 항복합니다. 폰 미제스 응력, ​, 항복 응력을 초과합니다. :

폰 미제스 응력은 다음과 같이 계산됩니다.

여기서 S는 편차 응력 텐서입니다.

J2 소성 모델의 맥락에서, 관련 유동 규칙은 재료가 항복을 시작할 때 소성 변형률이 어떻게 발생하는지 정의합니다. 이는 기본적으로 소성 유동의 방향이 현재 응력 지점에서 항복 표면에 대한 법선과 일치함을 나타냅니다.

여기서 λ는 소성 변형이 진행되는 속도를 결정하는 소성 승수입니다.

강화 법률 재료가 소성 변형과 내부 구조 변화에 노출될 때 어떻게 강화되는지를 결정하며, 이는 강도 증가로 이어질 수 있습니다. 이러한 현상은 구조물과 부품의 성능과 안전성에 영향을 미치므로 엔지니어와 설계자가 반드시 이해해야 합니다.

강화법의 유형

1. 등방성 경화: 이 법칙은 재료가 변형됨에 따라 항복면이 모든 방향으로 균일하게 팽창한다고 가정합니다. 즉, 재료의 항복 강도는 작용 응력의 방향에 관계없이 동일하게 증가함을 의미합니다.
2. 운동학적 경화: 등방성 경화와 달리, 운동학적 경화는 항복 표면이 응력 공간에서 평행 이동하도록 합니다. 즉, 재료는 하중 방향에 따라 다른 항복 강도를 나타낼 수 있으며, 이는 특히 반복 하중을 받는 재료에 유용합니다.
3. 비선형 경화: 많은 재료는 응력과 변형률 사이의 단순한 선형 관계를 따르지 않습니다. Abaqus의 비선형 재료 경화 법칙은 재료의 변형에 따라 경화 속도가 변하는 더욱 복잡한 거동을 고려합니다. 이는 종종 실험적으로 결정된 매개변수를 사용하여 모델링됩니다.

Abaqus 재료 모델에서 재료의 소성 거동을 활용하려면 재료의 거동과 경화를 아는 것이 매우 중요합니다. 따라서 아래 그림과 같이 비선형 영역에서의 응력과 변형률을 데이터 섹션에 입력해야 하며, 경화 셔터에는 경화 방법도 지정해야 합니다.

그림 7: Abaqus에서 J2 이론을 적용하는 방법

점탄성

점성이란 유체가 흐름을 저항하는 능력을 의미합니다. 점성이 높은 유체는 움직임을 저항하는 반면, 점성이 낮은 유체는 쉽게 흐릅니다. 예를 들어, 물은 점성이 낮은 시럽보다 점성이 낮아 더 자유롭게 흐릅니다. 점탄성 물질 모델은 탄성 및 점성 반응을 모두 나타내는 물질의 시간 의존적 거동을 포착합니다.

그림 8: 탄성 및 점성 특성을 모두 보여주는 점탄성 재료

이러한 모델은 재료의 동작이 하중의 지속 시간과 속도에 따라 달라지는 폴리머, 고무 및 생물학적 조직을 시뮬레이션하는 데 매우 중요합니다.

선형 점탄성 재료에서 재료의 반응(아시다시피 가장 흔한 결과 중 하나는 점탄성 크리프입니다)과 작용 하중(응력) 사이의 관계는 별도의 함수로 표현될 수 있습니다. 이러한 분리를 통해 수학적 모델링이 더욱 간소화됩니다. 기본적으로 모든 선형 점탄성 거동은 볼테라 방정식을 사용하여 설명할 수 있으며, 이 방정식은 시간에 따른 재료의 응력과 변형률 사이의 관계를 보여줍니다.

어디:

t는 시간, σ(t)는 응력, ε(t)는 변형률, E는_{인스턴스, 크립} 그리고 E_{즉, 긴장을 풀다} 는 크리프와 이완에 대한 순간 탄성 계수이며, K(t)는 크리프 함수이고, F(t)는 이완 함수입니다. 선형 점탄성은 일반적으로 작은 변형에만 적용됩니다. 비선형 점탄성은 함수가 분리될 수 없는 경우입니다. 이는 일반적으로 변형이 크거나 재료가 변형에 따라 특성이 변할 때 발생합니다. 비탄성 재료는 점탄성 재료의 특수한 경우입니다. 비탄성 재료는 하중을 제거해도 원래 상태로 완전히 회복되지 않습니다. 점탄성 재료는 다음을 포함한 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

• 충격 흡수: 에너지를 분산시키는 능력으로 인해 충격 흡수 장치와 진동 감쇠 장치에 적합합니다.  
• 생체의학 임플란트: 생체적합성과 자연 조직을 모방하는 능력으로 인해 인공 관절과 조직 공학 스캐폴드에 사용됩니다.
• 접착제 및 실런트: 점탄성 특성으로 인해 강력하고 내구성 있는 접착력을 제공합니다.
• 식품 가공: 식품 소재의 점탄성 거동은 식품의 질감과 가공을 이해하는 데 중요합니다.  

Abaqus에서 점탄성 재료를 효과적으로 모델링하는 방법을 배우고 싶으신가요? 그렇다면 잘 찾아오셨습니다! Abaqus에서 점탄성 재료를 모델링하는 데 필요한 필수 단계를 자세히 살펴보겠습니다.

Abaqus에서 점탄성 재료를 다룰 때는 재료의 물성을 정확하게 정의하는 것이 중요합니다. 시간 영역에서는 아래 그림(a)와 같이 Prony 급수 표현을 사용하여 전단 또는 체적 완화 계수와 해당 완화 시간을 지정할 수 있습니다. 주파수 종속 데이터가 있는 경우, 아래 그림(b)와 같이 Abaqus에서 저장 및 손실 계수를 주파수 함수로 입력할 수 있습니다.

그림 9: a) Prony 급수 표현을 사용하여 해당 완화 시간과 함께 전단 또는 벌크 완화 계수를 지정합니다. b) 주파수 종속 데이터에 대한 Prony 급수 표현, c) 점탄성 메뉴

• 그림 a에서 g_i, k_i, tau_i는 프로니 급수의 상수입니다.
•  그림 b: 실수 부분 g 그리고 허수부 g 사용됩니다.
• 의 가치 에이 의 실제 부분입니다 케이. 재료가 비압축성인 경우 이 값은 무시됩니다. 허수부는 케이 재료가 압축되지 않으면 이 값은 무시됩니다.
• 의 가치 비: 재료가 압축되지 않으면 이 값은 무시됩니다.

Electrical/Magnetic Properties

Abaqus는 전기 및 자기적 속성을 정의하기 위한 전용 옵션을 제공합니다. 재산 모듈. 여기에는 다음에서 발견되는 것과 같은 복잡하게 결합된 동작을 모델링하는 기능이 포함됩니다. 압전 재료. Abaqus에서는 적절한 탄성 계수, 유전 계수, 그리고 압전 결합 계수를 지정하여 압전 특성을 부여할 수 있습니다. 이러한 정의를 통해 센서, 액추에이터, 스마트 소재와 같은 응용 분야에 필수적인 전기기계적 상호작용을 시뮬레이션할 수 있습니다.

그림 10: 전기-자기적 특성

압전 재료의 작동 원리와 시뮬레이션 환경에서의 모델링 방식에 대해 더 자세히 알고 싶으시다면, 이 주제를 더 자세히 살펴보는 자세한 블로그 게시물을 작성했습니다.“압전 소재 설명 | 압전 소재란 무엇이고 어떻게 작동하는가“.

A Complete Guide to Abaqus Material Models Definition

제시된 기계적 거동 중 일부는 상호 배타적입니다. 즉, 이러한 거동은 단일 재료 정의에 함께 나타날 수 없습니다. 어떤 거동은 다른 거동의 존재를 필요로 합니다. 예를 들어, 가소성은 선형 탄성을 필요로 합니다.

재료 정의(Abaqus 재료 모델 정의)에는 재료가 사용되는 요소 또는 해석에 의미가 없는 동작이 포함될 수 있습니다. 이러한 동작은 무시됩니다. 예를 들어, 재료 정의에는 다음이 포함될 수 있습니다. 열전달 열전도도, 비열 등의 물성치와 탄성 계수, 항복 응력 등의 응력-변형률 물성치를 제공합니다. 이 물성 정의를 비연성 응력/변위 요소와 함께 사용하면 Abaqus에서 열전달 물성이 무시되고, 열전달 요소와 함께 사용하면 기계적 강도 물성이 무시됩니다. 이 기능을 사용하면 완전한 물성 정의를 작성하여 모든 해석에 사용할 수 있습니다.

솔리드, 셸, 보 요소에 특정 재료 거동을 적용하는 데에는 일반적인 제한이 없습니다. 합리적인 조합이라면 어떤 조합이든 허용됩니다. 그러나 몇 가지 예외가 있을 수 있습니다.

해석에서는 원하는 수의 재료를 정의할 수 있습니다. 각 재료 정의에는 필요에 따라 원하는 수의 재료 거동을 포함하여 완전한 재료 거동을 지정할 수 있습니다. 예를 들어, 선형 정적 응력 해석에서는 탄성 재료 거동만 필요할 수 있지만, 더 복잡한 해석에서는 여러 재료 거동이 필요할 수 있습니다.

각 재료 정의에는 이름을 지정해야 합니다. 이 이름을 사용하면 모델의 영역에 해당 재료를 지정하는 데 사용된 단면 정의에서 해당 재료를 참조할 수 있습니다.

그림 11: Abaqus/CAE의 재료 정의

재료 속성은 간단한 상수 값으로 정의될 수도 있고, 온도나 필드 변수와 같은 변수에 따라 달라질 수도 있습니다. (Abaqus 재료 모델 정의)

재료 데이터는 온도와 같은 독립 변수의 함수로 지정되는 경우가 많습니다. 재료의 물성은 여러 온도에서 값을 지정함으로써 온도 의존적으로 정의됩니다. 경우에 따라 재료의 물성은 Abaqus로 계산된 변수의 함수로 정의될 수 있습니다. 예를 들어, 가공 경화 곡선을 정의하려면 응력을 등가 소성 변형률의 함수로 지정해야 합니다.

Abaqus 재료 모델에서 재료 특성은 "필드 변수"(모든 독립적인 양을 나타낼 수 있고 절점에서 시간의 함수로 정의되는 사용자 정의 변수)에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 재료 계수는 복합재의 직조 밀도 또는 합금의 상분율의 함수가 될 수 있습니다. 필드 변수의 초기값은 초기 조건으로 주어지며 해석 중에 시간의 함수로 수정될 수 있습니다. 이 기능은 예를 들어 방사선 조사 또는 기타 사전 계산된 환경적 영향으로 인해 재료 특성이 시간에 따라 변하는 경우 유용합니다.

예를 들어, 그림 12에서 탄성 재료 속성은 온도와 전계 변수에 따라 달라지도록 선택되었습니다.

그림 12: 온도 및 현장 변수에 따른 재료 특성의 의존성

Interpolation of Material Data

상수 속성의 가장 간단한 경우에는 상수 값만 입력됩니다. 재료 데이터가 단일 변수에 대한 함수인 경우, 데이터는 독립 변수 값의 증가 순서대로 제공되어야 합니다. Abaqus는 주어진 값 사이의 값에 대해 선형 보간을 수행합니다. (Abaqus 재료 모델 정의)

해당 속성은 주어진 독립 변수의 범위 밖에서는 일정하다고 가정합니다. 따라서 재료 모델에 필요한 만큼의 입력 값을 제공할 수 있습니다. 재료 데이터가 독립 변수에 강하게 비선형적으로 의존하는 경우, 선형 보간을 통해 비선형 거동을 정확하게 포착할 수 있도록 충분한 데이터 포인트를 지정해야 합니다.

Abaqus 재료 모델에서 재료의 물성이 여러 변수에 의존하는 경우, 첫 번째 변수에 대한 물성의 변화는 다른 변수의 고정된 값에서, 두 번째 변수의 오름차순 값에서, 세 번째 변수의 오름차순 값에서, 이런 식으로 주어져야 합니다. 데이터는 항상 독립 변수에 증가하는 값이 주어지도록 정렬되어야 합니다. 이 과정을 통해 재료의 물성값이 해당 물성이 의존하는 모든 독립 변수의 값에서 완전하고 고유하게 정의됩니다(그림 13).

그림 13: 온도에 따른 재료의 탄성계수와 포아송비

정의된 범위를 벗어난 온도의 경우 그리고 , Abaqus는 상수 값을 가정합니다. 그리고 . 그래프의 점선은 이 모델에 사용될 직선 근사치를 나타냅니다.

Change Material Properties Between Steps in Abaqus

일부 분석에서는 다음과 같은 다양한 이유로 단계 사이에 Abaqus 재료 모델 속성을 변경해야 할 수 있습니다.

• 상전이

재료의 특성은 용융이나 응고와 같은 상 전이 중에 변할 수 있으며, 시뮬레이션에서 이를 고려해야 합니다.

• 온도에 따른 속성

재료의 특성은 온도에 따라 달라질 수 있으므로 열 부하 단계에서 특성을 업데이트해야 할 수도 있습니다.

• 동적 동작:

고무나 폼과 같은 일부 재료의 물성치는 고속 하중이나 큰 변형에 따라 변할 수 있습니다.

• 시간 의존적 속성

일부 재료는 크리프와 이완과 같은 시간 의존적 거동을 나타내므로 시간이 지남에 따라 속성을 업데이트해야 합니다.

언급된 이유 중 일부는 앞서 설명한 온도 의존적 특성이나 크리프 현상 시뮬레이션과 같이 Abaqus가 제공하는 기본 옵션으로 충족될 수 있습니다. 그러나 일부 재료 변화에 대해서는 해석자가 해석에서 재료 거동 변화를 어떻게 구현할지 결정해야 합니다. (Abaqus 재료 모델 정의)

해석 중 특정 시점에 재료가 변경되는 경우, 해당 재료 변경 사항을 재료 특성에 최대한 포함하는 것이 더욱 편리합니다. 예를 들어, 손상 및 재료 열화의 경우, Abaqus에는 손상의 시작 및 진행을 예측하는 여러 모델이 있습니다. 또한 "사용자 서브루틴"을 사용하여 해석에 사용자 정의 손상 모델을 구현할 수도 있습니다.

하지만 모델의 특정 조건(예: 두 재료의 밀도 값이 서로 다른 경우)에서 재료를 재료 번호 1에서 재료 번호 2로 변경해야 할 수도 있습니다. 이러한 조건은 '속성' 모듈의 재료 섹션에 이미 정의되어 있습니다. 이를 위한 한 가지 방법은 솔루션 종속 변수와 사용자 서브루틴을 사용하는 것입니다. 이러한 변수를 정의하면 재료 속성을 해당 변수 값에 연결할 수 있습니다.

Specifying Material Data as Functions of Solution-Dependent Variables

Abaqus에서는 사용자 서브루틴을 사용하여 해 변수에 대한 종속성을 도입할 수 있습니다. Abaqus/Standard의 사용자 서브루틴 "USDFLD"와 Abaqus/Explicit의 사용자 서브루틴 "VUSDFLD"를 사용하면 재료점의 필드 변수를 시간, 재료 방향 및 사용 가능한 재료점 수량의 함수로 정의할 수 있습니다.

사용자 서브루틴 "USDFLD" 및 "VUSDFLD"는 재료 정의에 사용자 서브루틴에 대한 참조가 포함된 각 재료 지점에서 호출됩니다.

이러한 서브루틴은 용액 의존적인 재료 특성을 도입하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 특성은 필드 변수의 함수로 쉽게 정의될 수 있기 때문입니다. 이러한 서브루틴은 재료 정의에 사용자 정의 필드 변수가 포함된 요소의 모든 재료 지점에서 호출됩니다.

Abaqus USDFLD와 VSDFLD는 적용 범위가 매우 넓으며, 일반적으로 소프트웨어 자료 환경에서 다른 변수에 의존하려는 매개변수가 있을 때마다 이 두 서브루틴을 사용할 수 있습니다.

재료 거동에 대한 완전한 특성화가 완료된 경우, "UMAT" 서브루틴을 대신 사용할 수 있습니다. 이 고급 방법을 사용하면 복잡한 재료 거동 및 변화를 정의하는 사용자 지정 서브루틴을 작성할 수 있습니다.

사용자 서브루틴 "UMAT"은 재료의 기계적 구성적 거동을 정의하는 데 사용할 수 있습니다. 이 서브루틴은 재료 정의에 사용자 정의 재료 거동이 포함된 요소의 모든 재료 계산 지점에서 호출되며, 기계적 거동을 포함하는 모든 프로시저와 함께 사용할 수 있습니다. UMAT은 솔루션 종속 상태 변수를 사용할 수 있습니다. 또한 사용자 서브루틴 USDFLD와 함께 사용하여 필드 변수가 전달되기 전에 해당 변수를 재정의할 수 있습니다.

언급된 방법을 사용하면 해석 단계마다 재료를 변경할 수 있습니다. 다른 방법도 있을 수 있습니다. Abaqus는 다양한 옵션을 제공하여 하나 또는 여러 옵션을 조합하여 해석을 더욱 현실적이고 정확하게 만들 수 있습니다. 시뮬레이션이 실제 상황을 반영하도록 변경 유형, 적절한 방법 및 검증 단계를 신중하게 고려해야 합니다.

Modeling Progressive Damage

많은 경우 재료는 반복적인 하중이나 극한 조건으로 인해 시간이 지남에 따라 손상이나 파손을 경험합니다. Abaqus 재료 모델의 점진적 손상 기능은 재료의 균열이나 파단이 어떻게 진행되는지 시뮬레이션하는데, 이는 피로 해석 구조물의 파손 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 블로그에서 손상에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. “연성 손상: 연성 재료의 파괴 메커니즘에 대한 종합적 연구”

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결론

본 논문은 정확한 유한요소해석(FEA)을 위해 Abaqus에서 적합한 재료 모델을 선택하는 중요한 과제에 중점을 둡니다. Abaqus 재료 모델은 시뮬레이션이 탄성, 소성, 파괴와 같은 실제 거동을 얼마나 잘 예측하는지 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 엔지니어링 분야에서 다양한 재료와 하중 조건이 존재하기 때문에, 신뢰할 수 있는 해석 및 시뮬레이션 결과를 얻으려면 적절한 모델을 선택하는 것이 필수적입니다. 

먼저 선형 재료와 비선형 재료를 구분하여 선형 재료가 예측 가능한 거동을 보이는 반면, 소성 변형이나 대변형을 겪는 비선형 재료는 더 복잡한 모델을 필요로 하는 이유를 설명합니다. 이어서 Abaqus의 다양한 재료 모델(탄성, 소성, 점탄성, 진행성 손상 모델 포함)에 대해 살펴봅니다. 이러한 모델은 다양한 응력 조건에서 금속, 폴리머, 복합재 및 생물 조직의 거동을 정확하게 표현하는 데 중요합니다.

본 논문에서는 폭발이나 수중 충돌과 같은 극한 조건에서 유체와 유사한 거동을 시뮬레이션하는 유체역학 모델을 살펴봅니다. 또한, 재료 시뮬레이션의 정확도를 향상시키기 위한 전략도 제시합니다. 여기에는 고품질 실험 데이터 활용, 메시 미세 조정, 그리고 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과를 보장하기 위한 실제 데이터와의 모델 검증 등이 포함됩니다.

결론적으로, 본 논문은 정확한 시뮬레이션을 위해 Abaqus에서 재료 거동을 이해하고 적절한 모델을 선택하는 것의 중요성을 강조합니다. 시뮬레이션 정확도를 향상시키는 고급 기술을 적용함으로써 사용자는 엔지니어링 해석에서 더욱 신뢰할 수 있고 의미 있는 결과를 얻을 수 있습니다.