第三章 LS-DYNA材料模型

DYNA高级应用培训高级应用培训3、材料模型材料模型登录协同仿真时代登录协同仿真时代对获得有用的仿真结果而言，材料的行为和特性对获得有用的仿真结果而言，材料的行为和特性可能是最令人头痛的可能是最令人头痛的非线性材料的行为经常通过新的研究来更新非线性材料的行为经常通过新的研究来更新非线性材料的特性是不容易获得的非线性材料的特性是不容易获得的, 常需采用简常需采用简化模型化模型第七章第七章 材料材料登录协同仿真时代登录协同仿真时代失效的单元不再承担任何载荷，记录在失效的单元不再承担任何载荷，记录在d3plot文件文件中中 ，所以可以在显示中删除，所以可以在显示中删除. 材料失效的方式材料失效的方式最小时间步最小时间步 当一单元扭曲时，时间步降低，严重的扭曲当一单元扭曲时，时间步降低，严重的扭曲单元常表明材料已失效，只承担小的载荷。然而单元常表明材料已失效，只承担小的载荷。然而，这些扭曲的单元控制，这些扭曲的单元控制CPU的开销和运行时间，的开销和运行时间，删除这些单元可使时间步增大。删除这些单元可使时间步增大。塑性应变塑性应变失效应力失效应力材料失效材料失效登录协同仿真时代登录协同仿真时代 *MAT_ADD_EROSION 一点积分的体单元一点积分的体单元 压力、各种应力和应变准则压力、各种应力和应变准则登录协同仿真时代登录协同仿真时代应变率影响（动力影响）应变率影响（动力影响） - SRE 迅速加载可能导致材料特性的改变，特别迅速加载可能导致材料特性的改变，特别是一些金属材料是一些金属材料 应变率应变率 =材料变形的变化率材料变形的变化率实验室实验是准静态，实际应用是动态实验室实验是准静态，实际应用是动态 SRE 与材料晶体结构有关与材料晶体结构有关 SRE SRE 能影响失效应变能影响失效应变 SRE SRE 对低碳钢影响尤其大对低碳钢影响尤其大应变率影响应变率影响登录协同仿真时代登录协同仿真时代应变率影响35XF-LT, Low Carbon Steel登录协同仿真时代登录协同仿真时代Cowper-Symonds由应变率相关因子缩放屈服应力 Johnson-Cook 由有效塑性应变率因子缩放流动应力 General由应变率相关因子缩放屈服应力 曲线：缩放因子对应变率 Strain rate dependent plasticity 曲线：屈服应力对有效应变率应变率影响应变率影响登录协同仿真时代登录协同仿真时代 复合材料复合材料 陶瓷陶瓷 纺织品纺织品 泡沫泡沫 玻璃玻璃 金属金属 塑料塑料 橡胶橡胶 土壤土壤/混凝土混凝土材料类型材料类型登录协同仿真时代登录协同仿真时代1 *MAT_ELASTIC3 *MAT_PLASTIC_KINEMATIC24 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC *MAT_RESULTANT_PLASTICITY*MAT_ANISOTROPIC_ELASTIC *MAT_CLOSED_FORM_SHELL_PLASTICITY*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO *MAT_BARLAT_ANISOTROPIC_PLASTICITY*MAT_STEINBERG *MAT_PLASTIC_GREEN-NAGHDI_RATE*MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_PLASTIC *MAT_3-PARAMETER-BARLAT*MAT_JOHNSON_COOK *MAT_TRANSVERSELY_ANISOTROPIC*MAT_ORIENTED_CRACK *MAT_BAMMAN_DAMAGE*MAT_POWER_LAW_PLASTICITY *MAT_RATE_SENSITIVE_POWERLAW*MAT_STRAIN_RATE_DEPENDENT *MAT_MODIFIED_ZERILLI_ARMSTRONG*MAT_PLASTICITY_WITH_DAMAGE -更多其它的金属金属登录协同仿真时代登录协同仿真时代1 *MAT_ELASTIC 定义线性材料定义线性材料 适用：梁，壳，体，厚壳适用：梁，壳，体，厚壳输入输入 密度密度 杨氏模量杨氏模量 泊松比泊松比 对于对于Bel-Schwer梁的轴向和弯曲梁的轴向和弯曲阻尼阻尼登录协同仿真时代登录协同仿真时代3 *MAT_PLASTIC_KINEMATIC定义一个双线性规则的材料定义一个双线性规则的材料适用：梁，壳，体，厚壳适用：梁，壳，体，厚壳输入输入 密度密度 屈服应力屈服应力杨氏模量杨氏模量 切线模量切线模量泊松比泊松比 硬化参数硬化参数 Cowper-Symonds 应变率影响应变率影响可获得粘塑性公式可获得粘塑性公式 基于失效应变的单元删除基于失效应变的单元删除登录协同仿真时代登录协同仿真时代3 *MAT_PLASTIC_KINEMATIC登录协同仿真时代登录协同仿真时代硬化登录协同仿真时代登录协同仿真时代24 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY定义双线性规则或任意应力应变曲线定义双线性规则或任意应力应变曲线适用：梁，壳，体，厚壳适用：梁，壳，体，厚壳输入输入 密度密度 屈服应力屈服应力杨氏模量杨氏模量 切线模量或应力应变曲线切线模量或应力应变曲线泊松比泊松比 Cowper-Symonds SRE 或任意应变率相关或任意应变率相关可获得粘塑性公式可获得粘塑性公式 基于塑性应变或最小时间步的单元删除基于塑性应变或最小时间步的单元删除登录协同仿真时代登录协同仿真时代通常认为是不可压缩的，因为体积模量在数量上通常认为是不可压缩的，因为体积模量在数量上远远超过剪切模量远远超过剪切模量7 *MAT_BLATZ-KO_RUBBER27 *MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER31 *MAT_FRAZER-NASH_RUBBER77 *MAT_HYPERELASTIC_RUBBER77 *MAT_OGDEN_RUBBER87 *MAT_CELLULAR_RUBBER橡胶橡胶登录协同仿真时代登录协同仿真时代 体和壳体和壳 用于接近不可压缩橡胶材料用于接近不可压缩橡胶材料 泊松比固定为泊松比固定为0.463 输入输入 密度密度 剪切模量剪切模量 适合聚氨酯橡胶适合聚氨酯橡胶 第二第二Piola-Kirchoff 应力与应力与Cauchy 应力之间有转换公应力之间有转换公式式 该模型常用于表达中等程度大应变的橡胶特性该模型常用于表达中等程度大应变的橡胶特性.输入剪输入剪切模量可以得到一种稍微可压的材料切模量可以得到一种稍微可压的材料.没有详细数据时没有详细数据时可选用该模型可选用该模型.更加完善的橡胶超弹性材料是更加完善的橡胶超弹性材料是27和和31号号材料材料.7 *MAT_BLATZ-KO_RUBBER登录协同仿真时代登录协同仿真时代体和壳体和壳Frazer-Nash 橡胶模型的简化橡胶模型的简化用于定义稍微可压缩橡胶材料用于定义稍微可压缩橡胶材料 泊松比泊松比(建议建议0.49-0.495) 两常数两常数: A 和和 B 应变能密度函数应变能密度函数 I, II, III 为为 Cauchy-Green 张量不变量张量不变量 C = 0.5A + B 2 (A + B) = 线弹性的剪切模量线弹性的剪切模量27 *MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER登录协同仿真时代登录协同仿真时代该模型可以得到稍微可压缩的超弹性材料该模型可以得到稍微可压缩的超弹性材料.常用于大应变的橡胶材料常用于大应变的橡胶材料.程序中程序中,可以用单轴拉伸实验的结果和轴向标距可以用单轴拉伸实验的结果和轴向标距,以及轴力与标距长度改变量代替输入参数以及轴力与标距长度改变量代替输入参数A和和B.登录协同仿真时代登录协同仿真时代27 *MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER登录协同仿真时代登录协同仿真时代仅对体单元仅对体单元 超弹性规则的改进形式超弹性规则的改进形式由由 Kedington于于1988年描述年描述 泊松比泊松比: 0.49 0.50 应变能函数应变能函数 I, J 应力不变量应力不变量31 *MAT_FRAZER-NASH_RUBBER登录协同仿真时代登录协同仿真时代仅对体单元仅对体单元87 *MAT_CELLULAR_RUBBER登录协同仿真时代登录协同仿真时代能量耗散能量耗散材料的响应与路径有关材料的响应与路径有关土壤和可压缩的泡沫代表一类当被压缩或压紧时土壤和可压缩的泡沫代表一类当被压缩或压紧时变硬的材料变硬的材料 比如，土壤，当颗粒间有空间时有一确定的刚度比如，土壤，当颗粒间有空间时有一确定的刚度，当压缩时，材料变硬，土壤的卸载呈现线性，土，当压缩时，材料变硬，土壤的卸载呈现线性，土壤不能承担拉伸载荷壤不能承担拉伸载荷多孔泡沫有相似的行为，硬度更低，直到孔被压多孔泡沫有相似的行为，硬度更低，直到孔被压缩。泡沫卸载沿着加载路径缩。泡沫卸载沿着加载路径泡沫材料泡沫材料登录协同仿真时代登录协同仿真时代5 *MAT_SOIL_AND_FOAM14 *MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILURE26 *MAT_HONEYCOMB38 *MAT_BLATZ_FO_FOAM53 *MAT_CLOSED_CELL_FOAM57 *MAT_LOW_DENSITY_FOAM62 *MAT_VISCOUS_FOAM63 *MAT_CRUSHABLE_FOAM75 *MAT_BILKHU/DUBOIS_FOAM83 *MAT_FU_CHANG_FOAM 仅对体单元仅对体单元泡沫泡沫登录协同仿真时代登录协同仿真时代泡沫部件相对周围的结构是非常软的泡沫部件相对周围的结构是非常软的因此，接触力常常在泡沫部件中导致沙漏出因此，接触力常常在泡沫部件中导致沙漏出现，特别是模型网格较粗糙时现，特别是模型网格较粗糙时所以，全积分体单元是最好的选择，在开始所以，全积分体单元是最好的选择，在开始时排除沙漏问题时排除沙漏问题登录协同仿真时代登录协同仿真时代53 *MAT_CLOSED_CELL_FOAM闭室泡沫: 开发用于低密度聚氨酯 (常用于船用集装箱及汽车设计中的冲击限制物建模) 要输入DENS, EX, 初始泡沫压力Po, 泡沫聚合密度比率 包括封闭气压效应 NUXY 趋向于零 屈服条件: y = a + b(1+c )其中 a, b和c 为实验确定的参数, = V/ Vo + o - 1其中 V 是当前体积, Vo 是初始体积, o 是初始体积应变登录协同仿真时代登录协同仿真时代57 *MAT_LOW_DENSITY_FOAM低密度泡沫 : 主要用于模拟汽车座位垫，侧面冲击假人的填料 有 hysteretic 应力-应变行为，但能接近恢复到原始形状的材料 需要输入密度DENS和弹性模量EX 采用载荷曲线标识号(LCID)输入应力应变行为 对于压缩，模型用可能的能量耗散来假设材料的滞后行为 对于拉伸，直到拉伸截止应力以前模型均表现为线性行为 NUXY 近似的设为零 使用滞后卸载时，如果衰减常数 = 0 ，重新加载将会沿卸载曲线进行 如果非零, 初始载荷由1- e-t决定，可用粘性系数(0.05-0.5)模拟阻尼效应 体积粘度如果标记为1，则被激活 滞后卸载使用形状卸载因数，数值上小于1能量耗散 输入的滞后卸载(HU)因数在0到1之间，如果HU=1 ，就没有能量耗散登录协同仿真时代登录协同仿真时代62 *MAT_VISCOUS_FOAM粘性泡沫 : 在碰撞模拟中吸能泡沫常用于模拟吸能材料（例如假人） 仅用于压缩载荷下的实体模型 由平行的非线性弹簧和粘性阻尼构成 需要有DENS, EX (初始杨氏模量E1) 和 NUXY 弹性刚度E 定义为: E = E1 V-n1其中 n1 是弹性刚度幂率 粘性系数V 定义为: V = V2 |1-V|n2其中 V2 = 初始粘度系数 n2 = 粘度系数幂率登录协同仿真时代登录协同仿真时代63 *MAT_CRUSHABLE_FOAM可压碎泡沫 : 用于可永久压服的材料（如聚苯乙烯固体） 可选择粘性阻尼和截止张力（撕裂） 卸载认为是完全弹性过程 拉伸按照完全弹塑性处理 需DENS, EX, NUXY 需输入定义屈服应力与体积应变的载荷曲线 体积应变 为: = 1 V其中 V 为当前体积和初始体积之比登录协同仿真时代登录协同仿真时代26 *MAT_HONEYCOMB蜂窝材料 : 正交各向异性可压碎泡沫为侧面冲击缓冲器前端材料和航空结构而开发 可以分别定义法向应力和剪切应力的非线性行为 需要DENS, EX, NUXY和粘性系数 需输入完全压紧的蜂房的屈服应力和体积 需输入弹性模量和每个正交方向上的应力与相对体积或体积应变载荷曲线登录协同仿真时代登录协同仿真时代压缩中压力为正压缩中压力为正体积应变定义为相对体积的自然对数，压缩体积应变定义为相对体积的自然对数，压缩中为负中为负相对体积定义为当前体积与初始体积的比值相对体积定义为当前体积与初始体积的比值列表数据应该以压缩增加的方式排列列表数据应该以压缩增加的方式排列如果压力降低到切断值，则保持为该值如果压力降低到切断值，则保持为该值体积应变和压力登录协同仿真时代登录协同仿真时代体积应变和压力登录协同仿真时代登录协同仿真时代体积应变和压力登录协同仿真时代登录协同仿真时代*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）其它常用的材料模式其它常用的材料模式登录协同仿真时代登录协同仿真时代 CWelcome to ANSYS谢谢 谢！谢！