什么是Ashby图？

Ashby图（阿什比图，Ashby Plot或Ashby chart），广泛应用于工程、机械设计、材料科学、化学及其他材料密集型领域。其名称来源于剑桥大学的Michael Ashby教授，该图正是由他开发的。

从最基本的层面来看，Ashby图是一种2D散点图，其将一种材料属性作为x轴，将另一种材料属性作为y轴。由此，在为特定应用选择材料时，可以在不同材料属性与其他开发参数（如成本）之间进行权衡。本质上，Ashby图是一种在选择需要满足特定用途的材料时，用于比较不同因素和属性的方法。Ashby图可用于比较任何类型的材料。由于3D图难以可视化，人们通常在2D Ashby图中，通过颜色来表示额外的材料属性信息。

Ashby图适用于任何以材料科学和特定属性（机械、热、物理、电气、环境等）为产品设计核心因素的行业。由于Ashby图是一种通用工具，不局限于任何特定行业，因此对于工程师来说，其用途非常广泛。Ashby图被广泛应用于各行各业，一些常见应用领域包括汽车、航空航天、消费电子、发电和建筑行业，以及学术界。 

所有Ashby图均可用作可视化材料选择和筛选工具，使工程师能够查看不同材料的不同属性组合。在许多情况下，最先进、最受欢迎或最广泛使用的材料，可能不会被选中，因为其他因素和成本可能会限制其在特定应用中的潜力。在Ashby图中，需要在必要属性与其他因素（例如材料几何结构、材料可用性、可持续性和成本）之间进行权衡。通过该过程最终选定的材料，是在所有因素之间实现最佳权衡的最合适材料。

Ashby图通常通过颜色来区分材料类别，例如复合材料、聚合物、金属、合金、高熵合金、天然材料、非技术陶瓷或技术陶瓷。

在设计过程中，Ashby图既可用于通过寻找更合适的材料来提升现有组件的性能，也可用于为新应用寻找合适的材料。

Ashby图可以比较任意两种材料属性——通常是某种形式的强度、成本、环境影响或轻量化，其中，工程师常关注的一些典型示例包括：

• 密度与杨氏模量
• 杨氏模量与成本
• 屈服强度与断裂韧性
• 环境影响与任何所关注的材料属性
• 密度与最高工作温度

Ashby图是Ashby选择方法的一部分，而该方法以材料选择为核心。该方法首先考虑所有材料类别中的可用材料，然后通过考虑更具体的材料要求和约束条件，将范围逐步缩小。

为了缩小选择范围，工程师需要分解应用的设计要求，考虑诸如以下问题：

• 所构建的产品什么？
• 产品的功能是什么？
• 它需要满足什么载荷要求？
• 其公差是多少？
• 是否需要具备高温性能？
• 是否需要具备抵抗腐蚀性物质的能力？
• 尺寸和结构方面的约束有哪些？
• 碳足迹是否重要？

所有这类设计问题，都有助于确定哪些材料属性至关重要、哪些是材料的必备属性，以及哪些属性可以灵活进行权衡。

确定材料目标后，就会根据约束条件和“必备”属性对材料进行筛选，以缩小合适材料的选择范围。任何不符合这些约束条件的材料都会被排除，而剩余材料则可以进一步进行评估和排序（同时考虑成本等因素），以找出最合适的材料类型。最终生成的Ashby图，仅显示那些尚未被约束条件淘汰的材料。由于材料属性本身通常存在差异和波动，在Ashby图中，这些属性通常显示为一个范围，而不是单个数值。因此，材料性能在图中通常显示为“气泡”的形状，以反映该材料可能的性能范围。

对于简单的目标，结合一两张Ashby图与其他约束条件，通常就足以做出决策。然而，在许多高级应用中，往往需要多重目标，例如，比较特定载荷条件下的特定几何结构。这就需要多个Ashby图，或采用性能指数的更复杂的Ashby图，从而为应用找到合适的材料。

对于更复杂或特定的应用，较简单的Ashby图通常无法满足需求，此时就需要使用性能指数。性能指数不是Ashby图表某条轴上的单个属性值，而是多种材料属性通过数学组合而成的结果，能够把多个性能因素综合起来，通过图中的单个坐标轴进行分析。在处理多个目标时，这种方法简化了图表视觉效果，因为它在单个图中考虑了多个因素，以帮助找到合适的材料。

性能指数的一些简单示例包括：受弯面板、受压柱或受扭轴。以受弯面板为例，设计过程中存在可能改变的自由变量，例如根据性能需求调整的板材厚度。同时，也需要确定固定变量，即设计中无法更改的变量。例如，面板的长度和宽度，因为其需要适应特定空间。

明确这些变量后，就可以确定限制约束条件。这些约束主要聚焦材料的行为，例如，刚度受限设计（弯曲不能超过特定点），或强度受限设计（在特定载荷下不能失效）。限制约束关注的是材料在特定条件下是否会失效，并找出不会失效的材料。

所有这些因素都会被纳入性能指数中，使工程师能够对许多不同的材料和材料类别进行排序，以便在特定场景下进行设计优化。因此，性能指数在一定程度上兼顾了几何结构与载荷因素。这意味着，它不会简单地给出“成本最低的材料”，而是根据您的特定约束条件，提供“在刚度受限设计中，用于受弯面板的最低成本方案”。例如：金属可能制造出更薄的部件，使用塑料会更厚，但整体上可能更轻，因此在某些场景下更具优势。虽然性能指数可以针对每个场景手动推导或手动计算得到，但目前最快捷、最简单的方法是利用软件，这些软件以易于选择的形式整合了预定义的性能指数，涵盖广泛的工程场景。

根据具体应用场景，可以筛选出多种不同的情况和材料。以下是一个典型的流程案例，展示了新思科技旗下Ansys的一位工程师如何确定哪些新材料可以替代现有材料，以提升性能。在本示例中，工程师正在为汽车横梁寻找一种新材料，以替代当前的砂铸357铝合金。尽管铝合金横梁性能足够，但工程师希望找到一种更轻的新材料，减轻汽车部件的重量，进而降低车辆的整体环境影响。

在选择流程开始时，横梁被近似为受弯梁。固定变量和自由变量确定如下：梁的长度和形状不能改变，但梁的面积（横截面）可以根据需要进行调整。

汽车横梁的限制约束是其强度，因此材料必须足够坚固，才能承受载荷而不会失效。同时，质量（重量）也是这里的关键目标之一。第一张Ashby图使用了两个性能指数：Y轴为受弯梁的单位强度质量；X轴为受弯梁的单位强度成本。根据这一初步分析，从技术陶瓷到金属、金属合金和非技术陶瓷，多个材料类别均可能适用。根据材料密度差异，其中一些材料会更厚但更轻，而另一些材料则会更薄但更重。

此时，尚未淘汰任何材料，列表中仍存在对于汽车应用而言完全无法使用的材料——虽然从单位强度质量和/或单位强度成本的角度来看，在技术上是可行的，但木材和混凝土等材料并不适合汽车应用。一旦应用了合理的约束条件，那些不可行的材料就会被移除，只留下合适的材料。对于汽车横梁，约束条件可包括：足够的机械属性、可在较宽温度范围（-40至100°C）内工作，以及至少能够承受淡水和盐水环境的腐蚀等。

在应用这些约束条件后，保留在Ashby图底部的材料重量最轻，但成本较高，例如碳纤维复合材料。Ashby图最左侧的选项价格最低，但重量更大。最后，我们在低重量和低成本之间找到了折衷方案，玻璃纤维填充的PA66（尼龙66）牌号聚合物可能是一种满足所有要求的良好替代材料。该候选材料随后进入进一步分析、仿真和物理测试阶段。

该图的数据来源是Ansys MaterialUniverse数据库，这是一个独特的Ansys专用数据库，包含数千种通用工程材料，并提供完整且可比较的信息，因此特别适用于材料选择和/或Ashby图中的性能指数分析。

尽管使用Ashby图有许多优势，但这并非一种完美无缺的方法。与任何分析方法一样，它始终存在一些局限性。Ashby图的局限性包括：

• 使用单张Ashby图表无法同时比较两个或三个以上因素，而要实现这一点，需要创建多张Ashby图表，并排比较数据
• 这是一种可视化方法，不能给出唯一答案或最佳材料，而是提供需要进一步详细研究的材料类别或一系列潜在候选材料。工程判断在此过程中起着重要作用，因为每个企业都必须自行决定每个权衡因素的重要性程度，例如，为实现性能提升相应可接受多大的成本增幅
• Ashby图需要与其他搜索和筛选条件结合使用，才能全面了解某种材料是否适合特定应用
• Ashby图需要完整且可比较的数据，因为如果缺少某项属性数据，就无法将该材料绘制在图上。因此，Ansys MaterialUniverse数据库特别适合此应用。

Ashby图可以使用Ansys Granta材料信息、选择和数据管理产品系列来生成，相关产品包括Ansys Granta Selector材料选择软件和Ansys Granta MI Enterprise材料数据管理软件。在Ansys Granta中，可以对数据进行绘制和标记，并且可以添加任意数量的约束和要求，从而将材料选择范围缩小到少数几个选项，然后再进行详细研究评估。例如，在施加约束条件后，可以将材料数量从数万种减少至5到10种潜在材料。

Ansys Granta Selector是一款专用于材料选择相关工作的独立软件程序。它是基于Windows桌面平台的解决方案，适用于设计人员、仿真工程师和材料科学专家。Ansys Granta MI软件是一款企业级应用，可供企业管理和储存自己的材料数据，并且具备材料搜索和选择功能。这两款软件工具，均能够利用材料数据生成Ashby图。

使用任一Granta工具选定材料后，就可以在其他Ansys工具中对这些材料及其在不同应用场景中的使用情况进行仿真，相关Ansys工具包括：Ansys Mechanical结构有限元分析软件、Ansys Discovery 3D产品仿真软件、Ansys Maxwell高级电磁场求解器或Ansys HFSS高频电磁仿真软件。相关数据可以直接从Granta导出到其他工具中，以对任何潜在候选材料在目标应用中的表现进行更深入的仿真，从而找到最佳材料选项。

如果您想进一步了解，如何利用Ashby图为应用选择合适的材料或材料组合，欢迎立即联系我们的专家。

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