这2600多种材料数据！让你仿真分析事半功倍

力学与有限元学习月

作者 | 邓福建仿真秀专栏作者

首发 |仿真秀App

导读：材料是产品的物质基础。材料不仅仅决定了产品的功能、性能，也决定了产品的价格。最近几十年，新材料和新工艺不断被开发出来，产品的选材范围已经不仅仅是古老的单一材质，比如木材、金属，越来越丰富的合金、复合材料、塑料，为设计提供了新的可能性，而增材制造工艺的成熟，则带来了更多的创意实现可能。

与材料的重要性不匹配的是，材料信息领域的数字化非常低，当设计、仿真、制造领域逐步通过CAD/CAE/ERP/MES等手段变得越来越智能时，材料信息管理领域还更多是通过Excel/PDF在管理数据。3月11日20时，笔者将在仿真秀官网和仿真秀App给广大的材料数据研发工程师带来一期公开课《开发高效企业独有材料数据库“密钥”》，详情见后文。

一、写在文前

Granta Design是剑桥大学提供材料信息和相关软件的分支机构，Ansys于2019年收购该公司，公司专注于企业材料数据管理技术，客户涵盖航空航天、国防工业、能源/核能、汽车、医疗、电子等行业的数百家领头企业以及1000+所学校，包括波音、空客、NASA、维斯塔斯、捷豹路虎、飞利浦等。

Ansys Granta提供Materials Data for Simulation、Granta Selector、Granta MI等产品，为企业提供可信的材料数据、智能材料选择、材料数据管理/应用等方面服务。

二、如何获得大量准确的材料性能数据

Ansys Granta与业内伙伴广泛合作，在产品中附带数十万条各行业的数据供选择，这些数据包括金属、复合材料、塑料、增材制造、医疗、航空等领域，以及独特的MaterialUniverse，各类数据应有尽有。

以NIMS Creep and Fatigue数据库为例，这是来自日本国立材料科学研究所的世界领先数据集，提供了对钢、超合金以及铝、镁、钛和镍合金等进行多年连续测试的结果，涵盖了长达40年的蠕变和疲劳在室温和高温下的数据。该数据库包含40多种材料的59个蠕变数据表，以及51种材料的115个疲劳数据表。该数据库可用于为电站和石化厂的管道和高压容器进行选材和寿命评估，能够进行定量设计和分析，尤其是高温下的长期表现。

另外，仿真，已经在产品设计中越发的重要。通过仿真，可以验证设计中的产品性能，并对其可制造性、耐久性、可持续性等因素进行优化，而这一切的前提，是工程师获得了准确的材料特性数据，能够准确模拟产品的性能。如果没有验证一致的材料数据，那么仿真会因设计限制、错误、延迟以及成本等问题而受阻。然而，要获得准确的材料特性数据，是费时费力的事情，而且往往要付出昂贵的成本，还需要避免在数据输入到仿真软件中引起的录入错误以及格式错误。

Ansys Granta进一步将适合方式的数据提取出来直接嵌入在Ansys仿真工具中，解决了上诉问题。Ansys旗舰产品都可以轻松访问上诉材料特性数据，拥有值得信赖的2600多种材料数据以及20多种材料属性，且可以在Ansys多物理场仿真中确保数据的一致性。以上用于仿真的材料数据是一个数据集，包含金属、塑料、聚合物、复合材料、磁性材料、陶瓷等不同种类的材料。

材料数据对企业至关重要，无论是通过自己测试还是通过外部渠道获取，只有确保工程师获取的数据是有效的、一致的、可追踪的，才能确保设计的产品满足最初的设想。

三、如何使用系统化选材方法找到合适的材料

材料种类和工艺的增加，为产品设计带来了新的挑战，即如何在成本合理的情况下，为产品选择合适的材料和工艺，一般来说，设计选材需要考虑以下几个方面：

根据产品的使用场景选择材料

根据产品的功能要求选择材料

根据产品的性能要求选择材料

当然，除了上述直接因素外，价格、材料生产地、法律法规的要求等都可能影响工程师的选材决策。选材需要考虑的因素之多，如果缺少有效的方法，那么就很难面面俱到，选出合适的材料。

Granta Design创始人Mike Ashby教授提出了一套系统化选材方法论（Systematic selectionapproach），为设计选材提供了方法支持，并据此开发了Granta Selector – 材料选择和材料属性图形分析的行业标准软件，支持材料选择决策。

系统化选材方法论的核心思想是将产品的设计需求转化为对材料的需求，从产品功能、设计要求、新材料的目标三个维度入手，提供一系列的筛选和图表绘制工具，最终从备选材料中找到最合适的材料。

Granta Selector则是以系统化选材方法论为基础，提供大量的材料数据供选材比较，以图形化的界面帮助用户创建图表、添加材料优选条件。可以为材料属性的任何组合制作材料属性图表。探索材料属性空间，预估生产成本，支持材料优选决策制定，并可将结果自动生成材料优选报告。

四、如何构建企业自己的材料数据库

如果企业会自己研究新材料，拥有大量的材料数据希望通过系统管理起来，Granta MI则提供了完备的企业级材料数据管理解决方案。

一般来说，材料数据从产生到应用，经历了原始测试数据到设计许用数据的转换过程，测试数据主要是来自企业材料测试试验以及供应商测试试验的数据，设计许用数据为基于测试数据拟合分析后得到的、可供设计/仿真部门直接使用的数据。下图即说明了这个过程，原始的测试数据非常重要，因此需要建立数据库专门存储，再通过专门的数据拟合算法，将原始的测试数据转化为设计许用数据，建立单独的库存储，让设计/仿真工程师通过该库获取材料数据。

材料数据浏览采用Web浏览器方式。所有材料数据统一存储在企业服务器，设计师通过浏览器即可查阅数据库内的材料信息。根据不同的材料属性（如杨氏模量、拉伸强度、化学成分等）组合条件，实现对目标材料的精确检索。提供基于材料数据的数据对比，包含表格型对比、曲线数据对比以及X-Y图对比。

材料数据的另一个主要使用场景为CAD/CAE软件对材料数据的调用， GrantaMI中的材料数据可与设计所的所有工具软件进行数据交互和集成。对于广泛应用的CAD/CAE/PLM软件，Granta MI开发了成熟的系统插件（MIGateway），直接安装即可在这些软件内调用数据库中的材料数据。

五、Granta材料数据库公开课

为了帮助各行业结构、流体、电磁仿真工程师，以及新材料研究方向的工程师，还有负责企业内部材料数据管理的工程师和新产品选材的工程师高效开发和管理企业独有材料数据库，3月11日20日，笔者受邀在仿真秀官网和仿真秀APP开启Granta材料数据库公开课（第一期），以下是直播安排。

扫码即可报名观看直播，支持反复回放哦。分享海报到朋友圈还可以联系平台小助手领取仿真秀平台的力学与有限元学习包资料哦（见下图）。

（完）

作者：邓福建 仿真秀专栏作者毕业于南昌航空大学机械设计制造及其自动化专业，现就职于安世亚太科技股份有限公司，从事企业信息化12年，拥有航空航天、车辆、核电等多个行业的项目咨询、实施经验，先后研究过精益研发、知识工程、协同仿真、材料数据管理等领域的问题。