拿到仿真需求，确定仿真分析类型后，要做的下一步仍然不是网格划分，而是为各部件选择合适的材料本构。仿真分析做到最后，模型简化、建模流程都已成熟，决定仿真精度的主要因素就变成材料参数。对于常用的金属和塑料，Ansys和Altair公司都有相应的材料库，包含应力-应变曲线以及各项参数，已做成求解器文件，可直接使用；也有专门做材料数据的公司提供相应材料参数。但对于小众材料，需要自己购买拉伸试验机或找材料测试机构进行测试。

        仿真分析工程师经常提到弹性材料、弹塑性材料、超弹性材料、各向同性材料以及各向异性材料，那么材料到底该如何分类呢？

1、常见材料分类

       常见材料如按如下方法进行分类：

下面我们详细说明分类方法。

       按原材料类型可将结构力学仿真常用的材料分为四类：

• 金属材料：铁、铜、铝、不锈钢等
• 有机高分子材料：通常含碳且可以燃烧，如橡胶、合成塑料、合成纤维等
• 无机非金属材料：通常不含碳不能燃烧，如玻璃、陶瓷
• 复合材料：通常指铺层复合材料，常用于航空航天行业，如飞机表面蒙皮一般是复合材料

       按力学特性可将结构力学仿真常用的材料分为两类：

• 各向同性材料：各方向材料性能相同，如不锈钢，铜等，可细分为弹性、弹塑性、超弹性、粘弹性材料。
• 各向异性材料：各方向材料性能不相同，可细分为正交各向异性材料和非正交各向异性材料。注意：各向异性材料也可为弹性、弹塑性、超弹性等子类。
• 正交各向异性材料，如木材，主流结构力学仿真软件都有专门的正交各向异性材料本构进行模拟，输入局部坐标系下三个方向的力学参数即可；
• 非正交各向异性材料，如含玻纤的注塑件，主流结构仿真软件都不太好模拟，需要借助专用的材料仿真软件如Digimat和MultiScale Designer等专业材料仿真软件，从晶胞层面来计算材料性能，然后输出相应的材料参数，通用结构力学仿真软件调用材料参数即可。

2、各行业常用材料

        不同行业使用的材料类型大同小异，但每个行业又有各自特点。各行业常用材料如下。

汽车：车身和传动部件多使用不锈钢和铝合金，内饰板用塑料较多，高档车可能使用木材作为内饰板，四门两盖多用不到1mm厚的不锈钢，其他部件还有玻璃、橡胶、粘胶和泡沫等。

航空：表面蒙皮多用复合材料，又轻又能保证强度，内部主要承力的框架结构多使用不锈钢和高强度铝合金。

手机：屏幕用玻璃；外壳有塑料也有金属，比如小米前些年吹的一块钢板的艺术之旅，就算今年原材料暴涨，304钢也才15000/吨 ；中板结构多用压铸铝，浇铸时流动速度快且压力大，产品强度高；主板内部结构复杂，主要由基材、铜线以及电容等部件组成，做跌落仿真时会对其结构和材料进行简化，使用等效材料参数进行模拟；手机各部件除使用过盈配合外，粘胶是非常重要的连接材料，仿真时也很重要，若关心粘胶本身是否会破坏，一般会用实体网格来模拟粘胶，若只是考虑粘胶传力，可将其简化为cohesive单元。

家电：主要承力部件使用不锈钢等金属，外壳多使用塑料，冰箱外壳和内胆间一般会填充泡沫用于隔热，外包装多使用瓦楞纸和泡沫，粘胶也广泛使用。

重工：基本全是铁块、铁板以及铁管，内饰和座椅也会涉及塑料等。

       各行业常用的不锈钢、铝、铜、塑料、玻璃、橡胶、粘胶、复合材料、泡沫、瓦楞纸、木材、布料织物以及陶瓷等都使用使用材料本构呢？

        现实中材料多种多样，很多时候难以得到准确的材料性能参数，对于不重要的部件，只起传力作用，不关注其受力情况，可能直接将其简化为各向同性的弹性材料；对于重点关注的部件，需要使用准确的材料本构和参数来进行模拟。

       常见材料一般使用什么材料本构进行模拟呢？

• 各向同性>弹塑性：不锈钢，铝合金，铜等金属，不带玻纤的塑料，各向同性的弹塑性材料是最常用的材料本构，结构分析软件都会有。注意铸铁受拉和受压力学性能不一样，需单独定义受拉和受压状态的材料参数。不锈钢应力-应变曲线如下所示。

        拉伸实验通常首先得到的是拉力-位移曲线，通过计算公式  和  将其转换为上图所示的工程应力-应变曲线，再通过转换公式  和  可将工程应力应变曲线转换为真实应力应变曲线。

       可以注意到，在弹性阶段，真实应力应变曲线和工程应力应变曲线是重合的，用工程应力应变曲线替代真实应力应变曲线也可满足精度要求。

        注意：仿真软件计算结果中的应力应变都是真实的应力应变，而非工程应力应变。

• 各向同性>超弹性：常见材料有粘胶和橡胶，一般使用超弹性材料本构Ogden，Mooney-Rivlin，Neo-Hookean，Yeoh model等超弹性本构进行模拟；

       典型的超弹性材料应力应变曲线如上图所示，可以看出，小变形阶段类似于弹性材料，大变形阶段，刚度急剧增加。若不关心其本身应力，只用于传力，小变形情况下，可将其简化为弹性材料，减小计算量。

• 各向同性>粘弹性：泡沫，家电带包装跌落中使用较多，可使用广义Maxwell-Kelvin-Voigt模型、Boltzmann本构进行模拟，部分求解器支持直接输入工程应力-应变曲线。

        由上图可知，泡沫材料在小变形阶段也可以近似为线弹性材料，若不关心其本身应力，只用于传力，小变形情况下，可将其简化为弹性材料，减小计算量。

• 正交各向异性材料：木材在纤维方向和垂直于纤维方向材料性能明显不同，且同一方向拉伸和压缩刚度不一样，可使用正交各向异性材料单独定义每个方向的材料性能参数；瓦楞纸一般呈蜂窝状，面法向和面内性能完全不一样，需单独定义三个方向的弹性模量以及泊松比，部分求解器支持直接输入各方向的工程应力应变曲线，软件可自动拟合参数，瓦楞纸一般需要专门的材料本构进行模拟，不能使用通用的正交各向异性材料本构。
• 复合材料：飞机表面蒙皮、织物、布料一般由多层铺层材料构成，每层的厚度差不多，但材料完全不一样，因此需要单独对每层材料进行定义。
• 率相关材料：通过拉伸实验获取应力应变曲线时，不同拉伸速度下得到的应力应变曲线可能不一样，这就是应变率相关材料。常用的不锈钢即率相应材料，应变率越大，其杨氏模量越大。在高速碰撞工况中，不同部位变形速度不一样，应变率也不一样，因此需要输入不同的应变率下的应力应变曲线，以获取准确的应力，注意不同应变率下的应力应变曲线不能相交。一般的显式求解器中都带率相关弹塑性材料本构。

应变率：应变发生的速率，即应变对时间求导，单位为[  ]