Materiaalimallit

Materiaalimallit ovat matemaattisia ja numeerisia kuvauksia siitä, miten materiaali käyttäytyy ulkoisessa kuormituksessa. Ne määrittelevät jännityksen, venymän, lämpötilan, kuormausnopeuden sekä materiaalin historiatiedon, kuten muokkauksen ja kovettumisen, ja niitä käytetään suunnittelussa, simuloinnissa sekä kokeellisten tulosten tulkinnassa. Mallit jaetaan yleisesti elastisiin, plastisiin sekä viskoelastisiin malleihin, ja niihin liittyy usein yield-kriteeri sekä kovettumis- tai pehmenemislaki.

Lineaarinen elastinen malli kuvaa palautuvaa venymää pienissä kuormituksissa. Elastoplastiset mallit yhdistävät elastisen vastuksen plastiseen muodonmuutokseen, jolloin syntyy pysyvä muodonmuutos. Viskoelastiset mallit kuvaavat ajallisia ja lämpötilariippuvaisia ilmiöitä; tyypillisiä rakenteita ovat Kelvin-Voigt- ja Maxwell-tyyppiset mallit sekä näiden yhdistelmät.

Plastisen käyttäytymisen malleissa käytetään yield-kriteerejä, kuten von Mises, Drucker–Prager ja Mohr–Coulomb, sekä kovettumis- (hardening) lakeja, jotka määrittävät muodonmuutoksen pysyvyyden. Monimutkaisemmissa malleissa voidaan yhdistää elastinen, plastiinen ja viskoelastinen käyttäytyminen yhä yhteen.

Materiaalimalleja käytetään laajalti finite element -analyysissä sekä muissa simuloinneissa suunnittelun, kestävyyden arvioinnin ja dynamiikan tutkimuksen yhteydessä. Kalibrointi tapahtuu kokeellisesti laboratorioissa ja sovitetaan kohdeolosuhteisiin, kuten kuormitusnopeuksiin, lämpötiloihin ja tilavuuksiin. Suosittuja ohjelmistopaketteja, jotka tukevat monenlaisia materiaalimalleja, ovat Abaqus, ANSYS ja COMSOL.