斯坦福大學(xué)的 Ellen Kuhl 博士和代爾夫特理工大學(xué)的 Mathias Peirlinck 博士最近在 SIMULIA 社區(qū)中舉辦了一場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，主題為“通過通用材料子程序?qū)崿F(xiàn)工程分析的民主化”，現(xiàn)在可回放。聆聽他們分享通過通用材料子程序?qū)崿F(xiàn)工程分析民主化的專業(yè)知識(shí)。

本構(gòu)模型是連續(xù)體和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基石。在有限元分析中，本構(gòu)模型被編碼在材料子程序中，提供控制方程中應(yīng)變和應(yīng)力之間的函數(shù)映射。該函數(shù)在每個(gè)有限元、每個(gè)積分點(diǎn)、每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)、每次牛頓迭代中被調(diào)用。當(dāng)今的有限元分析軟件包提供了大量可供選擇的材料模型庫(kù)。然而，選擇合適模型的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)仍然非常主觀，容易受到用戶偏見的影響。

在這里，我們將展示如何完全自動(dòng)化模型選擇過程，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中自主發(fā)現(xiàn)最佳模型和參數(shù)，將所有可能的可發(fā)現(xiàn)模型編碼到單個(gè)材料子程序中，并將此通用材料子程序無(wú)縫集成到有限元模擬中。我們已成功為各種不可壓縮、各向同性、超彈性材料制作了該技術(shù)的原型，最近，我們進(jìn)一步將其擴(kuò)展到可壓縮和各向異性材料行為。我們演示了如何將這些功能集成到一個(gè)通用材料子程序中，該子程序?qū)⒃谖磥?/span> Abaqus 版本中作為內(nèi)置材料建模功能提供。

使用這種新型通用材料子程序進(jìn)行的有限元模擬表明，它非常適合傳統(tǒng)的本構(gòu)模型，可以很好地推廣到新發(fā)現(xiàn)的模型，并且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和以前的模擬非常吻合。用一個(gè)通用的材料子程序取代數(shù)十個(gè)單獨(dú)的材料子程序，該子程序直接通過自動(dòng)模型發(fā)現(xiàn)填充，完全不需要人工交互，將使工程分析更加民主化，并使有限元模擬更容易被更具包容性和多樣性的社區(qū)所接受 加快科技創(chuàng)新。 

探索進(jìn)一步的應(yīng)用以及了解機(jī)械性能的重要性

該模型已成功擴(kuò)展到分析皮膚和人造肉等其他組織的機(jī)械行為。了解和預(yù)測(cè)各種材料的機(jī)械性能的能力在從生物醫(yī)學(xué)到食品科學(xué)等領(lǐng)域至關(guān)重要。

例如，在皮膚方面，該模型已用于探索不同層的行為，并為皮膚褶皺、皺紋和重建手術(shù)等應(yīng)用提供了見解。這證明了所開發(fā)模型的多功能性和廣泛意義。

此外，該模型的應(yīng)用范圍不僅限于研究和實(shí)際使用。它還被整合到教學(xué)場(chǎng)景中，為學(xué)生提供了試驗(yàn)和了解各種材料機(jī)械行為的機(jī)會(huì)。其中包括一門課程，讓學(xué)生測(cè)試不同的材料并分析其機(jī)械性能。例如，在一個(gè)課堂項(xiàng)目中，學(xué)生測(cè)試了人造肉產(chǎn)品，并使用該模型來了解材料剛度與味覺感知之間的關(guān)系。

在 Abaqus 中實(shí)現(xiàn)

本構(gòu)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已作為具有激活函數(shù)的內(nèi)置子程序集成到Abaqus中。這個(gè)新子程序包含數(shù)十個(gè)超彈性模型作為特例，以及數(shù)千個(gè)新可發(fā)現(xiàn)的模型。它完美匹配經(jīng)典模型的結(jié)果和新發(fā)現(xiàn)模型的數(shù)據(jù)，證明了其在捕捉復(fù)雜材料行為方面的有效性。

該團(tuán)隊(duì)目前正在將材料子程序擴(kuò)展到超彈性之外，以模擬粘性行為、損傷或塑性。正在進(jìn)行的測(cè)試顯示了令人鼓舞的初步結(jié)果，并引起了多個(gè)工業(yè)合作伙伴的興趣。

這種集成允許使用通用材料子程序，只需幾個(gè)參數(shù)即可定義材料模型，使其與傳統(tǒng)的超彈性建模相媲美。該實(shí)現(xiàn)已針對(duì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈歷史依賴性的材料進(jìn)行了測(cè)試，并顯示出強(qiáng)大的性能。正在進(jìn)行的測(cè)試包括將該方法與粘彈性和非彈性相結(jié)合，并取得了令人鼓舞的結(jié)果。

該模型的開放協(xié)作和可用性鼓勵(lì)研究人員和工程師探索其在各種材料和模擬中的應(yīng)用，為生物醫(yī)學(xué)模擬和人類健康的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。將組成型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型集成到Abaqus中，標(biāo)志著朝著讓更廣泛的受眾利用其功能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用邁出了重要一步。