AUTODYN基础教程四参考文档

2 ANSYSAUTODYN基础教程四 2 基础培训四 1 特色技术2 材料模型 2 细化正交网格 指定在I J和K方向上细化的倍数因子 细化网格 2 细化网格 细化网格前细化网格后 2 粗化正交网格 指定在I J和K方向上粗化的倍数因子 粗化网格 2 粗化网格 粗化网格前粗化网格后 2 映射 2 映射 一个模型结果映射到另一个模型进行求解 1D到2D轴对称1D到3D2D轴对称到3D3D到3D映射数据来源 1D欧拉 楔形 模型2D欧拉轴对称模型3D欧拉模型映射数据用于Lagrange ALE Euler和Euler FCT模型 2 由正交网格向非正交网格映射数据 1D 楔形 到2D轴对称或3D 2D轴对称到3D 3D到3D Lagrange ALE Euler Euler FCT 较长计算时间 映射 普通映射 2 由细化的正交网格向粗化网格映射数据 仅用于3D到3D Lagrange ALE Euler Euler FCT 计算速度快 映射 体积映射 2 塑性应变的比较 映射 泰勒杆碰撞试验欧拉 2D 映射到欧拉 2D 2 射流的形成和侵彻欧拉 2D轴对称 映射到拉格朗日 3D 映射 2 映射 MEFP破片形成和侵彻拉格朗日 3D 映射到Euler 3D 拉格朗日 欧拉 2 映射 爆炸冲击波对建筑物的冲击1D 2D 3D欧拉映射 2 映射 第一步 2 空气中爆炸和传播 用1D网格进行初始分析 将1D映射到2D模型 改变炸药的状态 继续计算 直到爆轰波到达建筑物 映射2D模型到3D模型中 映射 第二步 2 映射 第三步 2 映射 曼哈顿 Datasource RiskManagementSolutionsandSanbornMapCo 城市街区爆炸中的应用 2 AUTODYN读取下面的信息 I J K范围 每个单元的X Y Z坐标 每一个单元都有一个标志符 0 单元用结构材料 1 单元用空气材料 2 单元用空气材料并且测量该点 映射 读入几何数据 2 第四步 Block填充 映射 2 第四步到第三步 网格细化 第三步 映射 2 映射 第三步到第二步 网格细化 2 映射 第一步 2 映射 第二步 第三步 第四步 2 第二步 第三步 第四步 映射 压力等截面图 2 映射 压力等截面图 2 映射 压力等截面图 2 映射 压力等截面图 2 1 计算2D楔形爆炸模型 2 导入3DEuler FCT模型中计算 映射练习 爆炸 映射 Euler FCT 3D 2D楔形模型 3DEuler FCT模型 2 基础培训四 1 特色技术2 材料模型 2 基础培训四 状态方程强度模型失效模型 2 材料模型 通常 材料在动态载荷下的响应非常复杂 比如 非线形压力响应 应变和应变率硬化 热软化 各向异性料属性 拉伸断裂 复合材料破坏 一种材料模型不可能经历上面所有的响应 AUTODYN提供许多模型供用户选择 用户可以根据问题选择适合的模型 2 材料模型 体积变形 形状变形 平移 刚体旋转 材料变形 2 材料模型 材料变形用两个独立的阶段来描述体积应力 由于体积改变 压强 状态方程 EOS 偏应力 由于形状改变强度模型对于一个固体材料 还需要指定材料失效标准 2 材料模型 对于线性 弹性应变 应力通过胡克定律计算 其中 和G是常数 其中 是拉梅常数 G是剪切模量常数应力可以分解为静水压力和偏应力 其中P是静水压力 si是应力偏量 i 1 2 3 2 材料模型 许多情况应力超过了弹性极限 需要考虑更复杂的材料模型 胡克定律 一般非线性 状态方程 强度模型 2 材料模型 弹性常数 2 材料模型 状态方程SinglephaseMulti phaseCompactionExplosive强度模型HydrodynamicelasticPerfectlyplasticStrainhardeningPressurehardeningStrain ratehardeningThermalsofteningOrthotropic失效模型PlasticStrainTensilePressurePrincipalStress StrainOrthotropicStress StrainDamage 2 体积 物化相图 状态方程 2 状态方程 这个最简单的状态方程假设压力与内能无关 材料密度变化小 变化过程是可逆的 等熵的 通常用于固体 Linear状态方程 其中K是材料体积模量 是压缩比 线性状态方程是需要很少的材料数据 但是对于大的压缩情况不太精确 2 状态方程 拉伸状态 Polynomial状态方程 压缩状态 2 状态方程 在Shock状态方程中 采用的参考线形式如下 Shock状态方程 向大多数材料 特别是在非常高的冲击波下 线性方程可以满足 Us c0 sup 2 状态方程 一些带气孔的材料 在变形过程中由于气孔破裂 导致不可逆转的体积变形 比如 粉末 用来加工成型用的金属粉末 混凝土土壤这些材料要求状态方程 既允许不可逆转的气孔破裂 也要能计算初始的弹性体积变形和最后的材料状态 在AUTODYN中 使用三种状态方程来描述 PorousCompactionP Alpha 2 状态方程 压缩路径通过密度和压强的十个分段线性函数的值来描述 十个点可以不全部使用 弹性加载 卸载的斜度是初始声速和完全压实后声速的线性插值 Porous状态方程 2 状态方程 是porous状态方程的扩展 允许更多的对弹性加载 卸载的斜度的控制 弹性声速是密度的函数 优于用线性插值 Compaction状态方程 2 状态方程 完全压缩材料用Linear Polynomial或者Shock状态方程来定义 塑性压缩路径基于一个幂函数 用户可以定义 P alpha状态方程 2 状态方程 方程形式 IdealGas状态方程 其中 理想气体常数 密度Pshift 初始压强 e 内能说明 Pshift用来定义小一个初始压强 避免出现数值计算问题 2 状态方程 用来描述高能炸药爆轰产物迅速膨胀 JWL状态方程是一个经验公式 数据来源于物理实验 状态方程适用于大多数高能炸药 爆轰产物的气体压强由下面公式给出 其中A B R1 R2 w是经验导出常数 密度 参考密度 h r r0 e 内能 JWL状态方程 2 初始平面 Dcj 状态方程 2 状态方程 JWL模型用于爆炸物质 包括爆炸和气体膨胀阶段 参考密度 C J爆轰波速度DCJ参数A C J能量 单位体积ECJ参数B C J压强PCJ参数R1 参数R2参数w自动转成理想气体状态方程 JWL状态方程 2 状态方程 压缩爆炸主要用于下列两种情况 如果PBK为零 那么当压缩比 超过C J压缩指定的值 单元就开始爆炸 如果PBK是非零的话 爆炸以前压强为 当压强超过C J压强BCJPCJ时 单元开始爆炸 压缩爆炸 2 状态方程 点火和生长模型用来描述炸药的初始阶段 假设 点火开始于局部过热点 从这些点向外开始生长 Lee Tarver状态方程有下面的三个基本部分组成 对于惰性炸药的一个状态方程 用Shock或JWL形式 用JWL状态方程描述反应的爆炸产物 反应率方程描述燃烧的点火 生长和完成 Lee Tarver状态方程 2 Steel HE Steel目标 铜弹碰撞速度 2 5km s3 0km s速度为2 5km s时 没有冲击引爆 速度为3 0km s时 冲击引爆 状态方程 Lee Tarver状态方程 2 5km s 3 0km s 2 状态方程 描述爆炸物质在不引爆情况下的慢燃 爆燃 过程 爆炸物质以预定义的燃烧速度点火 起爆由时间决定 随后的爆炸物质以下面定义的速率燃烧 F是材料的燃烧尺寸 G c h P 是用户输入参数 线性或压缩固体状态方程JWL状态方程用于爆炸产物用于拉格朗日和SPH求解器 SlowBurn状态方程 2 燃烧率通过反应率控制 状态方程 SlowBurn状态方程 2 状态方程 SlowBurn状态方程 随着反应速度的提高 压强也增大 2 刚性材料 刚体 使用刚性材料 用标准材料输入方式选择EOSRigid用刚性材料填充任意非结构Part 对结构Part不能使用通过质量 惯量填充单元定义质量 惯量 材料密度和填充单元的体积定义材料方便可以定义多个刚体材料 刚性材料 2 刚性材料 刚体 3D倾斜碰撞拉格朗日靶板 可变形弹丸 刚性弹丸 2 刚性材料 刚体 金属成型刚性冲头和模具非结构壳单元 主四边形 工作件 2 状态方程 用户自定义状态方程子程序EXEOS定义通过公共块使用其它的变量提供子程序构架 用户自定义状态方程 2 基础培训四 状态方程强度模型失效模型 2 强度模型 NoneElasticVon MisesViscoelasticJohnson CookPiecewise JCZerilli ArmstrongSteinberg Guinan 材料强度类型 Cowper SymondsDrucker PragerMO GranularJohnson HolmquistRHT ConcreteBeam PesistanceOrthotropicYieldCrushableFoam Iso UserStrength 1 2 强度模型 材料强度描述屈服应力与应变 应变率和温度等之间的关系 AUTODYN中最简单的强度模型是Hydro Elastic和VonMises 米塞斯屈服 模型 Hydrodynamic 剪切模量为零 没有材料强度 Elastic 剪切模量常数 没有屈服 Von Mises 米塞斯屈服 屈服应力和剪切模量是常数 2 强度模型 Von Mises屈服准则如下 它也能写成如下形式 其中是主偏应力 屈服面 2 s1 s3 s2 s1 s2 s3 或 强度模型 屈服面 2 强度模型 每一步的计算中 粘弹性的应力偏量对总应力有贡献 增加 Viscoelastic模型 G 是材料的静态剪切模量G0是材料的瞬时剪切模量b是黏弹性衰减常数在每一步计算完成时将偏粘弹性应力加到弹性应力 形成总共的应力 2 应力 时间 应变 s 常数 e 常数 大于零 应力松弛 蠕变 强度模型 Viscoelastic模型 时间 2 强度模型 用于大应变 高应变率和高温度的材料 用于高速碰撞或爆炸引起的材料变形 这种材料屈服应力为 Johnson Cook模型 其中 为有效塑性应变 为有效塑性应变 A B C n m和为材料常数 2 强度模型 低速钢碰撞铝板 15m s 应变硬化模型与实验非常一致塑性屈服 VonMises 的使用与物理不一致 应变硬化效应 Johnson Cook模型 2 强度模型 铁球以16 5km s的速度正碰撞厚铝板使用拉格朗日 侵蚀模型使用Tillotson状态方程描述高能材料行为 包括气化使用Johnson Cook强度模型来描述应变强化效应 应变率强化和温度软化模型 包括熔化模拟结果与实验比较一致 高速碰撞 Johnson Cook模型 2 强度模型 Johnson Cook模型中的塑性流动运算法则已经被调整来降低高频震荡 在高应变率情况下 它可以从屈服面看到 Johnson Cook应变率修正 修正应用于所有模型 缺省 在定义模型的时候 这个选项可以开 关 2 强度模型 Johnson Cook模型中部分用有效塑性应变 EPS 的线性分段 十段 函数来表述 应变率和温度软化影响与Johnson Cook模型相同 Piecewise JC模型 屈服应力Y 有效应变 EPS 2 强度模型 常用于无氧高导电性铜 OFHC Copper 和阿姆克铁 工业纯铁 等 对于FCC和BCC金属有不同的形式 对于FCC金属有 对于BCC金属有 Zerilli Armstrong强度模型 其中 Y0 C1 C2 C3 C4 C5和n为材料常数 2 强度模型 包括压强对屈服应力和剪切模量的影响与应变率没有直接的关系 在整个计算过程中应变率非常高 大于105 秒 Steinberg Guinan强度模型 其中 为有效应变率 T为温度 K 为压缩比 2 强度模型 一个简单的 通用的金属材料强度模型 应变硬化和应变率硬化Cowper和Symonds公式 其中 A是塑性应变为零时的屈服应力 B是应变硬化系数 n是应变硬化指数 D和q是应变率硬化系数 Cowper Symonds强度模型 2 强度模型 屈服应力Y可以随着十点的分段函数 线性函数或剪切模量常数G变化 常用于地质材料 土壤 岩石等 压强硬化能用三种方式定义 10点的分段函数线性Stassi Drucker Prager模型 2 强度模型 常用于干土 沙子 岩石 混凝土和陶瓷等材料 压强硬化10点分段屈服应力 压强曲线密度硬化10点分段屈服应力 密度曲线剪切模量变量10点分段剪切模量 密度曲线 MO Granular强度模型 2 强度模型 用于易碎的材料 比如玻璃 陶瓷等 易碎的材料屈服于大应变 高应变率和高压强 组合塑性损伤模型 这种材料的屈服是由于微裂纹生长代替了断层运动 金属塑性 由于有效塑性应变 损伤会累积 Johnson Holmquist模型 2 强度模型 用户自定义强度模型子程序EXYLD定义屈服应力是计算变量的函数通过公共块使用其它的变量提供子程序构架 用户自定义强度模型 2 基础培训四 状态方程强度模型失效模型 2 失效模型 绝大多数材料在失效之前 仅能抵挡相当小的拉伸应力和 或 应变 在AUTODYN中有许多方式来判定是否失效 一个单元的失效行为既可以是瞬时的 失效发生在循环计算中 也可以是逐渐累计造成的 材料的抵制外界影响能力逐渐下降 2 失效模型 当压力低于静水拉伸压力临界时 发生体积失效 这可以用来描述材料的散裂或气穴现象 压强 静水拉伸压强临界 时间 Hydro失效 Bulk 2 失效模型 当有效塑性应变超过输入的临界应变值时 发生体积失效 这可以用来描述易延展性材料失效 应变失效 Bulk 应力 EPS 临界应变 2 失效模型 基于方向的应力 应变失效 对于拉格朗日 ALE 壳 SPH主应力主应变主应力 应变对于拉格朗日 ALE SPH材料应力材料应变材料应力 应变 方向失效模型 2 方向失效模型 失效模型 2 失效模型 失效标准 影响因素 Johnson Cook破坏 损伤模型 当D 1 0材料开始失效 用于OFHC铜 装甲钢 4340号钢等 2 失效模型 直径为6 35mm的钢球以1449m s的速度碰撞陶瓷目标 Johnson Holmquist强度模型 损伤模型 断裂软化 钢球和靶板用SPH建立模型 陶瓷最终的破坏情况与实验比较 钢球碰撞陶瓷靶板 2 失效模型 钢球碰撞陶瓷靶板 模拟结果 试验结果 2 失效模型 用于陶瓷 混凝土等受压强度降低的易碎材料 累积破坏模型 2 失效模型 用于对称载荷和对称几何情况 材料的细微缺陷地方 这些就是失效和断裂初始的地方 采用材料应力 应变随机失效的方法 每一个单元有不同的失效应力 应变 模拟材料本身的缺陷 Mott分布表示材料的失效应力 应变的不一致性 可用于模拟破片战斗部自然破片的质量和尺寸空间分布情况 随机失效 2 失效模型 Mott应变失效分布 P是失效概率C和 是常数 随机失效 由用户定义C通过计算得到分布类型 Fixed 每一时刻相同Random 任意可用于许多材料的失效模型 失效概率 失效应变 2 失效模型 随机失效 膨胀环 2 失效模型 破片分析 2 破片数据 失效模型 2 多层复合壳单元 定义层数 每一层可以是各向同性或各向异性材料 对于各向异性材料 指定11方向每一层指定一个厚度 复合壳单元层定义 2 多层复合壳单元 鸟撞机翼 鸟用SPH算法 2 多层复合壳单元 外层材料状态 内层材料状态 鸟撞机翼 2 材料库 通过导航栏上的Material菜单 然后使用Load进入材料库 材料可以按名字 状态方程 强度或失效方式排列 所有的材料有状态方程 绝大多数有强度模型 还有一些材料有失效模型 可以添加或修改材料库 还可以建立新的材料库 当选取材料后 数据单位自动转成当前单位 2 用户材料模型 用户材料模型所有的代码包含在一个模块里 MD EOS USER 1 F90 EXEOS 用户定义状态方程 MD STR USER 1 F90 EXYLD 用户定义强度模型 MD FAI USER 1 F90 EXFAIL 用户定义失效模型 MD ERO USER 1 F90 EXEROD 用于定义侵蚀 每一个模块包括的程序如下 用户界面输入定义 数据检查 分配变量 求解方程 2 材料模型总结 我们如何对一个具体的材料进行模型选择呢 根据材料本身 可以相对容易地大致确定材料种类液体或固体 各项同向或各向异性 惰性 活性 多孔或没有 易延展或易碎 压强是否依赖强度或粘性 实际使用的材料很大程度依赖于使用的领域和可以得到的材料数据原则 材料模型近可能简单 2 状态方程总结 惰性气体 IdealGas各向同性固体 金属 聚合物 混凝土 地质学材料等等 无孔小压缩情况 1 Shock Tillotson Puff Sesame Two Phase有孔非常小的压缩 压缩不重要 Linear小压缩情况 压缩但没有冲击影响 Porous Compaction大压缩情况 冲击影响重要 p alpha 2 状态方程总结 活性各向同性固体 气体 高能炸药 燃烧粉末 反应气体等等 爆炸以相同速度爆炸 JWL状态方程爆轰的开始和传播与当地材料情况有关 Lee Ta