AUTODYN计算分析基础.课件

1、AUTODYN 计算分析基础第1页，共43页。特点商用：终点效应，LS-DYNA、AUTODYN和DYTRAN。AUTODYN更适合：应用领域 ：军工 ，DYNA民用多，汽车(接触算法 )；独特的映射技术 :可实现不同求解器间的转换，如Lagrange和Euler之间的相互映射；材料库：军工专用的材料库，约300种，结构材料都考虑了应变率影响；状态方程：14种，流固耦合。爆轰，炸药JWL，冲击起爆Lee-Tarver、Slow-Burn（引信点火或爆燃）独有，多种两相EOS，描述高速冲击气化现象; 第2页，共43页。特点（续）特有的随机失效模式 ：材料整体性能的非均性，材料破坏时别于其几何上的

2、对称性特点而表现为一种随机行为。自然破片战斗部； Euler技术 ：三种Euler，高精度(Euler-FCT, Euler-Godunov)，爆炸驱动、波传播、射流穿甲具优势，杵体长度、速度分布与实测吻合较好；无网格技术 ：SPH，高速冲击碰撞，几何空间来填充SPH粒子，方便、稳定。前后处理及求解器集成性 第3页，共43页。一般问题的分析步骤第一步 设置求解类型(2D、3D)、单位制用单精度来满足求解效率和内存的需要：避免出现压力低于10-6的单位制；避免出现单元质量低于10-6的单位。缺省单位：长度质量时间速度力压强密度能量mmmgmsm/smN kPag/cm3mJ第4页，共43页。一般

3、问题的分析步骤第二步 定义材料第一种方式：材料库选择材料模型 状态方程(体积改变)Single phase、Multi-phase、Compaction、Explosive强度模型（形状改变）屈服应力与应变、应变率和温度等之间的关系Hydrodynamic、elastic、Perfectly plastic、Strain hardening、Pressure hardening、Strain-rate hardening、Thermal softening、Orthotropic失效模型（材料失效标准）Plastic Strain 、Tensile Pressure、Principal Str

4、ess/Strain、Orthotropic Stress/Strain、Damage材料很大程度依赖于使用领域和可得到的材料数据原则：材料模型尽可能简单第5页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)Linear 状态方程：假设压力与内能无关，密度变化小，过程可逆(等熵)，常用于固体(4340 STEEL)。 K 体积模量，压缩比；材料数据少，但是大的压缩情况不太精确。Polynomial 状态方程(water)拉伸：压缩：SHOCK EOS:copper“状态方程” 基本假定:容变律与畸变律解耦；忽略体积粘性。 第6页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)一些带孔的

5、材料，变形过程中孔破裂导致不可逆转的体积变形，粉末(用来加工成型用的金属粉末) 、混凝土、土壤要求EOS：既允许不可逆转的气孔破裂，也能计算初始的弹性体积变形和最后的材料状态。使用三种状态方程来描述：Porous、Compaction、P-Alpha第7页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)压缩路径通过密度和压强的十个分段线性函数的值描述；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(泡沫等减震隔爆)压强 P初始密度 r弹性载荷塑性压缩参考密度 rref密度 r弹性卸载/重新加载完全压缩第8页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续

6、)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 状态方程压强 P塑性压缩弹性载荷完全压缩弹性卸载/重新加载初始密度 r参考密度 rref密度 r第9页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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 EOS(混凝土、陶瓷等人工脆性材料)完全压缩Pa01apPorosity, a = rc/rPePc塑性压缩弹性卸载/重新加载弹性载荷第10页，共43页。一般问题的分

7、析步骤第二步 定义材料(续)方程形式：Ideal Gas 状态方程(空气、爆炸产物后期)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。第11页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)用来描述炸药爆轰产物迅速膨胀(爆炸和膨胀阶段)；JWL状态方程是一经验公式，数据来源于物理(圆筒)实验；状态方程适用于大多数高能炸药(含铝除外)；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。自动转成理想气体

8、状态方程JWL 状态方程（炸药爆炸）第12页，共43页。Q = 附加的比能,a = 能量释放常数,m = 能量释放指数,n = 压力指数JWL 状态方程 Miller Extension非理想炸药，比如包含有铝 (Al) 或高锰酸铵 (AP) ，铝 (Al) 或高锰酸铵 (AP) 颗粒燃烧后会释放出更多的能量 Miller 模型表达了这种能量释放一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)第13页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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

9、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(冲击起爆)第14页，共43页。Steel-HE-Steel 靶；铜弹碰撞速度:2.5 km/s3.0 km/s 2.5 km/s没有冲击引爆；3.0 km/s时，冲击引爆。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)Lee-Tarver 状态方程 2.5 km/s 3.0 km/s第15页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)描述炸药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

10、爆炸物质以下定义的速率燃烧：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。Slow Burn 状态方程第16页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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第17页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)NoneElasticVon-MisesViscoelasticJohnson-CookPiecewise-JCZerilli-ArmstrongSteinberg-Guinan材料强

11、度类型Cowper-SymondsDrucker-PragerMO-GranularJohnson-HolmquistRHT-ConcreteBeam-PesistanceOrthotropic YieldCrushable Foam (Iso)User Strength#1第18页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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。 第19页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)包括压强

12、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 。第20页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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 强度模型第21页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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；

13、材料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 模型第22页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)大多数材料在失效之前，仅能抵挡较小的拉伸应力和(或)应变；有许多方式来判定是否失效：单元的失效行为既可以是瞬时的，也可是累积造成的。失效模型第23页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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断裂或气穴现象。压强静水拉伸压强临界时间Hydro 失效 (Bulk)第24页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)当有效塑性应变超过输入

14、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临界应变第25页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)失效标准：影响因素：Johnson-Cook 破坏/损伤模型温度项压强项应变率项当 D=1.0 材料开始失效；用于 OFHC 铜、装甲钢、4340号钢等。第26页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)用于对称载荷和对称几何情况；材料的细微缺陷地方 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。可模拟破片战斗

15、部自然破片的质量和尺寸空间分布情况。随机失效第27页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)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第28页，共43页。一般问题的分析步骤第二步 定义材料(续)破片分析第29页，共43页。选材总结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-Tarver 状态方程爆燃过程多孔：Slow Burn + Compac

16、tion 固体状态方程、用户定义状态方程无孔： Slow Burn + Linear 固体状态方程，用户定义状态方程第30页，共43页。选材总结状态方程总结惰性各向异性固体 (复合材料、包金箔材料等)；小压缩 (1%)： Orthotropic with Polynomial或Shock 状态方程其它用户自定义。第31页，共43页。选材总结强度模型总结惰性气体：None惰性各向同性固体 (金属、聚合物、混凝土、地质材料等)应变率依赖弹性：Viscoelastic应变率不依赖弹性(无塑性)：Elastic弹塑性材料没有硬化： von Mises应变硬化、应变率敏感、熔化：Johnson-Cook

17、 Steinberg-Guinan、Zerilli-Armstrong、Piecewise-JC弹性易碎材料仅仅压强硬化：Druker-Prager 、Mo-Granular无孔：Johnson-Holmquist有孔：RHT-Concrete第32页，共43页。选材总结失效模型总结惰性气体：None；惰性各向同性固体 (金属、聚合物、混凝土、地质材料)；Hydrodynamic：Hydro (Pmin)；弹塑性材料；易碎材料/碎片：主应力 (+ 碰撞软化)易延展材料：有效塑性应变、主应变、主应力弹性易碎材料；拉伸断裂失效：主应力/应变 (+ 碰撞软化) 剪切损伤：JH2、RHT、累积损伤模型

18、第33页，共43页。一般问题分析步骤常用于对初始速度的设置第三步 定义初始条件第34页，共43页。一般问题分析步骤不同的求解器有相适应的边界条件第四步 定义边界条件第35页，共43页。一般问题分析步骤一、选择求解器二、对于 Definition 有两种方式：Manual 和 Part wizard大多数求解器两种方式都可以；对于 Shell (2D) 求解器使用 Manual ，Shell (3D) 两种都可以；SPH 求解器第五步 建立模型第36页，共43页。一般问题分析步骤Part wizard 方式三步曲 (形状、网格和材料)第五步 建立模型第37页，共43页。一般问题分析步骤第五步 建立模型Manual 方式三步曲 (网格、形状和材料)第38页，共43页。一般问题分析步骤边界条件的施加/删除测量点的添加/删除ALE 运动的施加求解器的调整IJK 范围的调整模型的激活与抑制模型重命名第六步 模型相关操作用 Part 构成 Component