Ls-dyna定义材料

1、Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual第第 4 章章 定义材料定义材料Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322本章目标本章目标完成本章后，学员应能够掌握以下知识：完成本章后，学员应能够掌握以下知识：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

2、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Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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对应包括有大量的材料模型，几乎对所有应用都有对应的材料。的材料。相对于相对于 ANSYS隐式分析隐式分析, ANSYS/LS-DYNA 提供了相当大的材料库

3、提供了相当大的材料库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 (用于鸟撞用于鸟撞) 状态方程模型状态方程模型Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322概述概述 材料模型材料模型 （续）（续） Linear ElasticIsotropic (with Fluid

4、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 dependent plasticityNull materialsExpli

5、cit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322GUI 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Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual00132

6、2GUI 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 Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322GUI 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

7、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 Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322GUI 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. 例如屈服例如屈服应力与塑性应变之间的关系曲线等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: M

8、aterial props Curve Options . Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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

9、律定义变形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jijIc Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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

10、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) 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 命令或以下菜单确命令或以下菜单确定定: Preprocessor: Material Props Local CS Create Local

11、CSExplicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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 IDExplicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADY

12、NATraining Manual001322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

13、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:. 32invariants strain the areandwhere522332IIIGxyWBlatz-Ko Rubber:Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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

14、 参数模型参数模型 需要输入需要输入DENS, NUXY和和 Mooney-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.2320111015 .3C3CWMooney-Rivlin:Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATrainin

15、g Manual001322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) elastic shear modulusG = The long term (infinity) elastic shear modulusK = elastic bulk modulus1/ = decay constantViscoelastic: toe)GG(GtGExplicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dyn

16、amics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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参数. 要得要得到好的分析结果，需要使用精确的材料参数到好的分析结果，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

17、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，但在一个类别内的材料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模型差别不大，通常只是可获得的材料参数不同.Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322材料模型材料模型 塑性塑性: 类别类

18、别 1 类别类别1: 各向同性应变率无关塑性模型各向同性应变率无关塑性模型有有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-应应变关系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。算中。所有所有3个模型可

19、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， 随动硬化假定二次随动硬化假定二次屈服在屈服在 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 maxExplicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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,

20、EX, NUXY, Yield Stress ( y), 和和 Tangent Modulus (Etan)Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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 Eta

21、n 来定义屈服强度来定义屈服强度 ，塑性硬化模塑性硬化模量量 Eh 由由E和和 Etan 定义定义 .tthEEEEE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.phoyEExplicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual001322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

22、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 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：

23、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，模型由于弹性模量、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 是是最普通的应变率模型。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.P1C1 Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADY

24、NATraining Manual0013222a. 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)之之间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.屈服函数屈服函数 :effo1EC1pPPy 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 :tantanPEEEEEExplicit Dynamics with A

25、NSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual0013222b. 率相关率相关: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为具有双线性等向硬化的塑性行为用强度系数用强度系数K和硬化系数和硬化系数N定义的幂定义的幂法则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npePyeff1kC1 Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual0013222

26、c. 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号定义的应号定义的应力应变行为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 模型模型对于需要删除单元的模型可以输入失效应变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最常用于碰撞模拟.屈服面由由屈服面由由 Cowper-Symonds 模型针对率相关进模型针对率相关进行缩比行缩比.Explicit Dynamics with ANSYS/LS-Explicit Dynamics with ANSYS/LS-DYNADYNATraining Manual0013222d. 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