《LSDYNA5材料模式稻谷书屋》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LSDYNA5材料模式稻谷书屋（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、ANSYS/LS-DYNA Training第第 5 章章 材料模式及状态方程材料模式及状态方程1教育ANSYS/LS-DYNA Training本章目标本章目标1. 对对 ANSYS/LS-DYNA 中的材料模型有一个全面的认识中的材料模型有一个全面的认识2. 熟悉通过熟悉通过 GUI 输入材料数据输入材料数据3. 对特定材料模型的应用有所了解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了解材料模式与状态方程的关系6. LS-DYNA其他的材料模式其他的材料模式2教育ANSYS/LS-DYNA Traini
2、ng概述概述 材料模型材料模型ANSYS/LS-DYNA 包括有大量的材料模型，几乎对所有应用都有包括有大量的材料模型，几乎对所有应用都有对应的材料对应的材料相对于相对于 ANSYS隐式分析隐式分析, ANSYS/LS-DYNA 提供了相当大的材提供了相当大的材料库料库ANSYS/LS-DYNA 提供了提供了 ANSYS implicit中不具备的特性中不具备的特性:应变率相关塑性模型应变率相关塑性模型温度敏感塑性材料温度敏感塑性材料应力和应变失效准则模型应力和应变失效准则模型空材料空材料 状态方程模型状态方程模型3教育ANSYS/LS-DYNA Training概述概述 材料模型材料模型（续
3、）（续） Linear ElasticIsotropic (with Fluid Option)OrthotropicAnisotropicPlasticityRate Independent (2)Rate Sensitive (8)Composite Damage Concrete OtherRigid bodiesCablesFluidNonlinear ElasticBlatz-Ko Rubber Mooney-Rivlin ViscoelasticFoamIsotropic (4)Orthotropic Equation of State Temp. & strain rate de
4、pendent plasticityNull materials4教育ANSYS/LS-DYNA TrainingGUI 材料输入描述材料输入描述所有所有ANSYS/LS-DYNA支持的材料模型都具有支持的材料模型都具有 GUI 格式格式新的新的 GUI 允许优化材料模型允许优化材料模型过滤的过滤的 GUI 菜单只要求添加相关数据菜单只要求添加相关数据5教育ANSYS/LS-DYNA TrainingGUI 材料输入步骤材料输入步骤1: 增加新的材料模型增加新的材料模型Preprocessor: Material Props Define MAT Model Add2: 选择所要材料模型选择所
5、要材料模型确保输入正确材料号确保输入正确材料号选择模型所属类别选择模型所属类别 (如塑性如塑性)选择需要的材料模型选择需要的材料模型 6教育ANSYS/LS-DYNA TrainingGUI 材料输入步骤（续）材料输入步骤（续）3: 输入相关数据输入相关数据对于几乎所有的材料模型都需要对于几乎所有的材料模型都需要 DENS, EX和和 NUXY 命令命令 7教育ANSYS/LS-DYNA TrainingGUI 材料输入步骤（续）材料输入步骤（续）对于对于 ANSYS/LS-DYNA 中的一些材料模型中的一些材料模型,需要输入载荷曲线需要输入载荷曲线. 例如屈服应力与塑性应变之间的关系曲线等例
6、如屈服应力与塑性应变之间的关系曲线等.载荷曲线由载荷曲线由 EDCURVE 命令定义命令定义:Preprocessor: Material props Curve Options . 8教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 线弹性线弹性有有3种线弹性材料模型种线弹性材料模型:弹性弹性 (各向同性各向同性) : 所有方向的材料特性相同所有方向的材料特性相同正交各向异性正交各向异性 : 特性具有特性具有 3 个相互垂直的对称面个相互垂直的对称面各向异性各向异性 : 材料中各个点处的特性是独立的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线
7、弹性材料不经历任何塑性变形，由虎克定律定义变形 弹性材料弹性材料 (各向同性各向同性) 材料材料:大多数工程金属是各向同性的大多数工程金属是各向同性的 (如钢铁如钢铁)简单地由简单地由 DENS, EX,和和NUXY定义定义9教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 线弹性（续）线弹性（续）正交各向异性正交各向异性一般一般 用用9 个独立参数和个独立参数和 DENS定义正交各向异性材料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个独立常数个独立常数 (EXX, EZZ, NUXY, NUXZ, GXY)
8、 和和DENS定义定义正交各向异性材料根据特定的坐标系来定义正交各向异性材料根据特定的坐标系来定义1. 拾取拾取 Linear Elastic Orthotropic2. 输入相关材料常数和密度输入相关材料常数和密度3. 输入局部坐标系输入局部坐标系 ID ，局部坐标系由，局部坐标系由 EDLCS 命令或以命令或以下菜单确定下菜单确定: Preprocessor: Material Props Local CS Create Local CS10教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 线弹性（续）线弹性（续）各向异性各向异性:各向异性材料由各向异性材料由 21 个独立
9、参数和个独立参数和 DENS定义定义1. 选择选择Linear Elastic Anisotropic2. 输入参数与密度输入参数与密度3. 输入坐标系输入坐标系 ID11教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 非线性弹性非线性弹性在非线性弹性材料组中有在非线性弹性材料组中有3种模型种模型 :Blatz-Ko : 用于像橡胶一样的可压缩材料用于像橡胶一样的可压缩材料 Mooney Rivlin : 用于定义不可压缩橡胶材料用于定义不可压缩橡胶材料Viscoelastic : 定义玻璃类材料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非线性弹性材料可以经受大
10、的可恢复的弹性变形Blatz-Ko 橡胶材料只用于受压橡胶材料橡胶材料只用于受压橡胶材料泊松比泊松比 (NUXY) ANSYS自动设为自动设为 .463, 因此只需要因此只需要 DENS 和和GXY材料响应通过应变能量密度函数材料响应通过应变能量密度函数 (W)确定确定:Blatz-Ko Rubber:12教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 非线性弹性非线性弹性(续）续）用来定义不可压缩橡胶材料响应用来定义不可压缩橡胶材料响应Mooney-Rivlin 模型类似于模型类似于ANSYS隐式隐式 的的 2 参数模型参数模型 需要输入需要输入DENS, NUXY和和 M
11、ooney-Rivlin 常数常数 C10与与 C01为保证不可压缩行为为保证不可压缩行为, NUXY 的值设在的值设在 .49和和 .5之间之间材料响应通过材料响应通过 应变能量密度函数应变能量密度函数 (W)定义定义:式中式中 1 , 2 ,和和 3 为应变不变量，为应变不变量， K 为体积模量为体积模量.Mooney-Rivlin:13教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 非线性弹性非线性弹性(续）续）剪切关系由下式描述剪切关系由下式描述:除了密度除了密度 DENS, 还需输入以下参数还需输入以下参数:Go = The short term (origin)
12、elastic shear modulusG = The long term (infinity) elastic shear modulusK = elastic bulk modulus1/ = decay constantViscoelastic:14教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 塑性塑性在在 ANSYS/LS-DYNA 中有中有11种塑性模型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
13、参数. 要得到好的分析结果，需要使用精确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.塑性模型可以分为塑性模型可以分为3大类：大类：类别类别1: 各向同性材料应变率无关塑性材料模型各向同性材料应变率无关塑性材料模型 (3)类别类别 2: 各向同性应变率相关塑性模型各向同性应变率相关塑性模型 (5)类别类别3: 各向异性应变率相关塑性模型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材料模型差别不大，通常只是可获得的材料参数不同.15教育ANS
14、YS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 塑性塑性: 类别类别 1 类别类别1: 各向同性应变率无关塑性各向同性应变率无关塑性 模型模型有有3个基本的应变率无关塑性模型个基本的应变率无关塑性模型 :a. 经典双线性随动硬化经典双线性随动硬化 (BKIN)b. 经典双线性各向同性硬化经典双线性各向同性硬化 (BISO) c. 弹性塑性流体动力弹性塑性流体动力 (HYDRO)这些模型用弹性模量这些模型用弹性模量 (EX) 和切线模量和切线模量 (ETAN) 来表示材料的应力来表示材料的应力-应变关系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。应变率无关模
15、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。所有所有3个模型可以用于大多数工程金属（钢、铝、铸铁等个模型可以用于大多数工程金属（钢、铝、铸铁等)BKIN与与 BISO 模型之间唯一的区别是硬化假设，模型之间唯一的区别是硬化假设， 随动硬化假定二次屈服随动硬化假定二次屈服在在 2 y时出现时出现 ，而等向硬化出现在，而等向硬化出现在2 max16教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 塑性塑性: 类别类别 1（续）（续）BKIN 和和BISO 模型要输入的参数类似模型要输入的参数类似: DENS, EX, NUXY, Yield Stress ( y), 和和
16、 Tangent Modulus (Etan)17教育ANSYS/LS-DYNA Training材料模型材料模型 塑性塑性: 类别类别 1（续）（续）Elastic-Plastic Hydrodynamic适用于经受大变形乃至失效的材料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如果没有指定有效真实应力与应变, 则认为是等向硬化则认为是等向硬化 ， 需要指定需要指定 y 和和 Etan 来定义屈服强度来定义屈服强度 ，塑性塑性硬化模量硬化模量 Eh 由由E和和 Etan 定义定义 .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教育ANSYS/
17、LS-DYNA Training材料模型材料模型 塑性塑性: 类别类别 2 类别类别 2: 各向同性应变率相关塑性材料各向同性应变率相关塑性材料对于各向同性材料有对于各向同性材料有5种应变率相关塑性模型种应变率相关塑性模型 :a. 塑性随动塑性随动: 带有失效应变的带有失效应变的Cowper-Symonds 模型模型b. 率敏感率敏感: 带有强度和硬化系数的带有强度和硬化系数的Cowper-Symonds 模型模型c. 分段线性分段线性: 带有多线性曲线和失效应变的带有多线性曲线和失效应变的Cowper-Symonds d. 率相关率相关:用载荷曲线和失效应力定义的用载荷曲线和失效应力定义的
18、应变率应变率e. 幂法则幂法则: 用于超塑成型的用于超塑成型的Ramburgh-Osgood 模型模型模型模型 2a - 2c 使用使用 Cowper-Symonds 模型在应变率的基础上缩比屈服应力模型在应变率的基础上缩比屈服应力 : 其中：其中： C ，P 是是 Cowper-Symonds 常数常数.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，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，模型模型 2d 是最普通的应变率模型。是最普通的应变率模型。 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可以用于一般的金属和各向同性
19、材料塑性成型分析模型模型 2e 是专用于超塑成型的特殊材料模型是专用于超塑成型的特殊材料模型.19教育ANSYS/LS-DYNA Training2a. Plastic Kinematic:材料模型材料模型 塑性塑性: 类别类别 2（续）续）双线性硬化模型双线性硬化模型 ( y and Etan)硬化参数硬化参数 在在 0 (kinematic) 和和 1 (isotropic)之间之间失效应变决定删除失效单元失效应变决定删除失效单元.屈服应力屈服应力 :其中其中 0 是初始屈服应力是初始屈服应力 peff 等效塑性应变等效塑性应变,Ep 塑性硬化模量，由此公式确定塑性硬化模量，由此公式确定
20、:20教育ANSYS/LS-DYNA Training2b. 率敏感：率敏感：材料模型材料模型 - 塑性类别塑性类别 2具有双线性等向硬化的塑性行具有双线性等向硬化的塑性行为为用强度系数用强度系数K和硬化系数和硬化系数N定义定义的幂法则的幂法则屈服函数如下定义屈服函数如下定义: e 是弹性应变是弹性应变21教育ANSYS/LS-DYNA Training2c. 分段线性分段线性:材料模型材料模型 - 塑性：类别塑性：类别 2用等效应力与有效塑性应变载荷曲线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号定义的应力应变行为类似于类似于ANSYS隐式分析中的隐式分析中的 TB, MISO
21、 模型模型对于需要删除单元的模型可以输入失对于需要删除单元的模型可以输入失效应变效应变最常用于碰撞模拟最常用于碰撞模拟.屈服面由由屈服面由由 Cowper-Symonds 模型模型针对率相关进行缩比针对率相关进行缩比.22教育ANSYS/LS-DYNA Training2d. 率相关率相关:材料模型材料模型-塑性塑性: 类别类别 2大多数普通应变率塑性模型均属此类大多数普通应变率塑性模型均属此类 y, E, Etan, 和和 fail都可以是率相关的都可以是率相关的给定塑性应变率后的应力如下定义给定塑性应变率后的应力如下定义:whereLCID 1 = defines y as a funct
22、ion of LCID 2 = defines E as a function ofLCID 3 = defines Etan as function ofLCID 4 = defines effective von Mises stress at failure as a function of23教育ANSYS/LS-DYNA Training其它常用的材料模式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
23、_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教育ANSYS/LS-DYNA Training状态方程的使用状态方程的使用在LS-DYNA中，常规条件下的结构材料，不使用状态方程
24、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（610Gpa）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教育ANSYS/LS-DYNA Training常用的状态方程常用的状态方程*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）
25、*eos_tabulated（列表方式）26教育ANSYS/LS-DYNA Training材料本构总结材料本构总结1. 对于每种单元类型，未必能够使用所有的材料模型，因此使用时要参考对于每种单元类型，未必能够使用所有的材料模型，因此使用时要参考LS-DYNA USER KEYWORD MANUAL来确认可以用哪种模型来确认可以用哪种模型2. 对于每种材料模型，并非所有的常数与选项都要输入，参数有缺省值对于每种材料模型，并非所有的常数与选项都要输入，参数有缺省值3. 在定义材料属性时，确保使用一致的单位制，不正确的单位制不仅会影在定义材料属性时，确保使用一致的单位制，不正确的单位制不仅会影响材料响应，而且影响接触刚度的计算响材料响应，而且影响接触刚度的计算4. 不要低估准确材料数据对结果的重要性，尽量花费额外的时间与金钱去不要低估准确材料数据对结果的重要性，尽量花费额外的时间与金钱去获得准确的材料数据获得准确的材料数据27教育ANSYS/LS-DYNA Training练习练习 - 材料模型材料模型此章练习见此章练习见 卷卷 II 的的 E4-1 页页.陶瓷杆穿透金属板。金属材料模型采用考虑失效的率相关塑性材陶瓷杆穿透金属板。金属材料模型采用考虑失效的率相关塑性材料料. 28教育ANSYS/LS-DYNA Training29教育
