LS-DYNA-5材料模式

第5章材料模式及状态方程 1 本章目标 1 对ANSYS LS DYNA中的材料模型有一个全面的认识2 熟悉通过GUI输入材料数据3 对特定材料模型的应用有所了解4 学会在显式动力分析中定义材料属性5 了解材料模式与状态方程的关系6 LS DYNA其他的材料模式 2 概述 材料模型 ANSYS LS DYNA包括有大量的材料模型 几乎对所有应用都有对应的材料相对于ANSYS隐式分析 ANSYS LS DYNA提供了相当大的材料库ANSYS LS DYNA提供了ANSYSimplicit中不具备的特性 应变率相关塑性模型温度敏感塑性材料应力和应变失效准则模型空材料状态方程模型 3 概述 材料模型 续 LinearElasticIsotropic withFluidOption OrthotropicAnisotropicPlasticityRateIndependent 2 RateSensitive 8 CompositeDamageConcreteOtherRigidbodiesCablesFluid NonlinearElasticBlatz KoRubberMooney RivlinViscoelasticFoamIsotropic 4 OrthotropicEquationofStateTemp strainratedependentplasticityNullmaterials 4 GUI材料输入描述 所有ANSYS LS DYNA支持的材料模型都具有GUI格式新的GUI允许优化材料模型过滤的GUI菜单只要求添加相关数据 5 GUI材料输入步骤 1 增加新的材料模型Preprocessor MaterialProps DefineMATModel Add 2 选择所要材料模型确保输入正确材料号选择模型所属类别 如塑性 选择需要的材料模型 6 GUI材料输入步骤 续 3 输入相关数据对于几乎所有的材料模型都需要DENS EX和NUXY命令 7 GUI材料输入步骤 续 对于ANSYS LS DYNA中的一些材料模型 需要输入载荷曲线 例如屈服应力与塑性应变之间的关系曲线等 载荷曲线由EDCURVE命令定义 Preprocessor Materialprops CurveOptions 8 材料模型 线弹性 有3种线弹性材料模型 弹性 各向同性 所有方向的材料特性相同正交各向异性 特性具有3个相互垂直的对称面各向异性 材料中各个点处的特性是独立的线弹性材料不经历任何塑性变形 由虎克定律定义变形弹性材料 各向同性 材料 大多数工程金属是各向同性的 如钢铁 简单地由DENS EX 和NUXY定义 9 材料模型 线弹性 续 正交各向异性一般用9个独立参数和DENS定义正交各向异性材料横向各向同性材料 一种特殊的正交各向异性 由5个独立常数 EXX EZZ NUXY NUXZ GXY 和DENS定义正交各向异性材料根据特定的坐标系来定义 1 拾取LinearElastic Orthotropic2 输入相关材料常数和密度3 输入局部坐标系ID 局部坐标系由EDLCS命令或以下菜单确定 Preprocessor MaterialProps LocalCS CreateLocalCS 10 材料模型 线弹性 续 各向异性 各向异性材料由21个独立参数和DENS定义 1 选择LinearElastic Anisotropic2 输入参数与密度3 输入坐标系ID 11 材料模型 非线性弹性 在非线性弹性材料组中有3种模型 Blatz Ko 用于像橡胶一样的可压缩材料MooneyRivlin 用于定义不可压缩橡胶材料Viscoelastic 定义玻璃类材料非线性弹性材料可以经受大的可恢复的弹性变形 Blatz Ko橡胶材料只用于受压橡胶材料泊松比 NUXY ANSYS自动设为 463 因此只需要DENS和GXY材料响应通过应变能量密度函数 W 确定 Blatz KoRubber 12 材料模型 非线性弹性 续 用来定义不可压缩橡胶材料响应Mooney Rivlin模型类似于ANSYS隐式的2参数模型需要输入DENS NUXY和Mooney Rivlin常数C10与C01为保证不可压缩行为 NUXY的值设在 49和 5之间材料响应通过应变能量密度函数 W 定义 式中 1 2 和 3为应变不变量 K为体积模量 Mooney Rivlin 13 材料模型 非线性弹性 续 剪切关系由下式描述 除了密度DENS 还需输入以下参数 Go Theshortterm origin elasticshearmodulusG Thelongterm infinity elasticshearmodulusK elasticbulkmodulus1 decayconstant Viscoelastic 14 材料模型 塑性 在ANSYS LS DYNA中有11种塑性模型模型的选择取决于要分析的材料和可以得到的材料参数 大多数高度非线性有限元分析的精度取决于所使用的材料参数 要得到好的分析结果 需要使用精确的材料参数 塑性模型可以分为3大类 类别1 各向同性材料应变率无关塑性材料模型 3 类别2 各向同性应变率相关塑性模型 5 类别3 各向异性应变率相关塑性模型 3 位于不同的类别内的材料模型之间区别很大 但在一个类别内的材料模型差别不大 通常只是可获得的材料参数不同 15 材料模型 塑性 类别1 类别1 各向同性应变率无关塑性模型有3个基本的应变率无关塑性模型 a 经典双线性随动硬化 BKIN b 经典双线性各向同性硬化 BISO c 弹性塑性流体动力 HYDRO 这些模型用弹性模量 EX 和切线模量 ETAN 来表示材料的应力 应变关系应变率无关模型通常用于像板金成型一类的总的成型过程相对长的计算中 所有3个模型可以用于大多数工程金属 钢 铝 铸铁等 BKIN与BISO模型之间唯一的区别是硬化假设 随动硬化假定二次屈服在2 y时出现 而等向硬化出现在2 max 16 材料模型 塑性 类别1 续 BKIN和BISO模型要输入的参数类似 DENS EX NUXY YieldStress y 和TangentModulus Etan 17 材料模型 塑性 类别1 续 Elastic PlasticHydrodynamic适用于经受大变形乃至失效的材料如果没有指定有效真实应力与应变 则认为是等向硬化 需要指定sy和Etan来定义屈服强度 塑性硬化模量Eh由E和Etan定义 应力应变行为也可以用最多16个数据点来定义 需要指定一个线性多项式方程 18 材料模型 塑性 类别2 类别2 各向同性应变率相关塑性材料对于各向同性材料有5种应变率相关塑性模型 a 塑性随动 带有失效应变的Cowper Symonds模型b 率敏感 带有强度和硬化系数的Cowper Symonds模型c 分段线性 带有多线性曲线和失效应变的Cowper Symondsd 率相关 用载荷曲线和失效应力定义的应变率e 幂法则 用于超塑成型的Ramburgh Osgood模型模型2a 2c使用Cowper Symonds模型在应变率的基础上缩比屈服应力 其中 C P是Cowper Symonds常数 由于弹性模量 屈服应力 切线模量和失效应力都可以作为应变的函数输入 模型2d是最普通的应变率模型 模型2a 2d可以用于一般的金属和各向同性材料塑性成型分析模型2e是专用于超塑成型的特殊材料模型 19 2a PlasticKinematic 材料模型 塑性 类别2 续 双线性硬化模型 yandEtan 硬化参数 在0 kinematic 和1 isotropic 之间失效应变决定删除失效单元 屈服应力 其中 0是初始屈服应力 peff等效塑性应变 Ep塑性硬化模量 由此公式确定 20 2b 率敏感 材料模型 塑性类别2 具有双线性等向硬化的塑性行为用强度系数K和硬化系数N定义的幂法则屈服函数如下定义 e是弹性应变 21 2c 分段线性 材料模型 塑性 类别2 用等效应力与有效塑性应变载荷曲线ID号定义的应力应变行为类似于ANSYS隐式分析中的TB MISO模型对于需要删除单元的模型可以输入失效应变最常用于碰撞模拟 屈服面由由Cowper Symonds模型针对率相关进行缩比 22 2d 率相关 材料模型 塑性 类别2 大多数普通应变率塑性模型均属此类 y E Etan 和 fail都可以是率相关的给定塑性应变率后的应力如下定义 whereLCID1 defines yasafunctionofLCID2 definesEasafunctionofLCID3 definesEtanasfunctionofLCID4 defineseffectivevonMisesstressatfailureasafunctionof 23 其它常用的材料模式 mat null EOS 常见流体 mat high explosive EOS 炸药 MAT ELASTIC PLASTIC HYDRO EOS 固体在高应变率下的流体表现 mat 3 parameter barlat 三参数的BARLAT各向异性塑性金属材料 mat transversely elastic plastic 横向各向异性金属材料 mat fabric 气囊 丝织物 mat composite failure options model 实体或壳复合材料 mat seatbelt 安全带材料 mat thermal options 材料热物理参数 user defined material models 用户自定义材料的参数输入 24 状态方程的使用 在LS DYNA中 常规条件下的结构材料 不使用状态方程流体 使用状态方程高速 高压变形的结构材料需附带状态方程 状态方程 仅用于描述材料的体积变形行为 p f v r E T v 相对体积r 密度E 内能T 温度结构材料在高压 6 10Gpa 或高速 100m s以上 碰撞等变形条件下 采用状态方程物质燃烧等化学反应过程必须由状态方程控制 25 常用的状态方程 eos linear polynomial 线性多项式 eos jwl 炸药 eos gruneisen 结构材料 eos ignition and growth of reaction in he 推进剂燃烧 eos tabulated 列表方式 26 材料本构总结 1 对于每种单元类型 未必能够使用所有的材料模