AUTODYN基础教程四课程

AUTODYN基础教程四课程第1页/共108页2023/3/16基础培训四1、特色技术2、材料模型第2页/共108页2023/3/16细化正交网格；指定在I，J和K方向上细化的倍数因子。细化网格第3页/共108页2023/3/16细化网格

细化网格前

细化网格后第4页/共108页2023/3/16粗化正交网格；指定在I，J和K方向上粗化的倍数因子。粗化网格第5页/共108页2023/3/16粗化网格

粗化网格前

粗化网格后第6页/共108页2023/3/16映射第7页/共108页2023/3/16映射一个模型结果映射到另一个模型进行求解：1D到2D轴对称1D到3D2D轴对称到3D3 D到3D映射数据来源：1D欧拉“楔形”模型2D欧拉轴对称模型3D欧拉模型映射数据用于Lagrange，ALE，Euler和Euler-FCT模型。第8页/共108页2023/3/16由正交网格向非正交网格映射数据；1D“楔形”到2D轴对称或3D；2D轴对称到3D；3D到3D；Lagrange,ALE,Euler,Euler-FCT；较长计算时间。映射普通映射

第9页/共108页2023/3/16由细化的正交网格向粗化网格映射数据；仅用于3D到3D；Lagrange,ALE,Euler,Euler-FCT；计算速度快。映射体积映射

第10页/共108页2023/3/16塑性应变的比较映射泰勒杆碰撞试验欧拉(2D)映射到欧拉(2D)第11页/共108页2023/3/16射流的形成和侵彻欧拉(2D轴对称)映射到拉格朗日(3D)映射第12页/共108页2023/3/16映射MEFP破片形成和侵彻拉格朗日(3D)映射到Euler(3D)拉格朗日欧拉第13页/共108页2023/3/16映射爆炸冲击波对建筑物的冲击1D-2D-3D欧拉映射刚性墙10kgTNT4m空气中爆炸第14页/共108页2023/3/16最后的材料位置最终的压力云图最终的压力截面图初始材料位置映射第一步第15页/共108页2023/3/16空气中爆炸和传播；用1D网格进行初始分析；将1D映射到2D模型；改变炸药的状态；继续计算，直到爆轰波到达建筑物；映射2D模型到3D模型中。映射第二步第16页/共108页2023/3/16映射第三步第17页/共108页2023/3/16映射曼哈顿-Datasource:RiskManagementSolutionsandSanbornMapCo.

城市街区爆炸中的应用第18页/共108页2023/3/16AUTODYN读取下面的信息：

I，J，K范围；每个单元的X，Y，Z坐标；每一个单元都有一个标志符：0–单元用结构材料；1–单元用空气材料；2–单元用空气材料并且测量该点。映射读入几何数据第19页/共108页2023/3/16炸药第四步(Block填充)映射第20页/共108页2023/3/16第四步到第三步

(网格细化)第三步映射第21页/共108页2023/3/16第二步映射第三步到第二步

(网格细化)第22页/共108页2023/3/16最后的材料位置最终的压力云图最终的压力截面图初始材料位置映射第一步第23页/共108页2023/3/16映射第二步第三步第四步第24页/共108页2023/3/16第二步第三步第四步映射压力等截面图第25页/共108页2023/3/16映射压力等截面图第26页/共108页2023/3/16映射压力等截面图第27页/共108页2023/3/16映射压力等截面图第28页/共108页2023/3/161、计算2D楔形爆炸模型；2、导入3DEuler-FCT模型中计算。映射练习爆炸/映射/Euler-FCT(3D)2D楔形模型3DEuler-FCT模型第29页/共108页2023/3/16基础培训四1、特色技术2、材料模型第30页/共108页2023/3/16基础培训四

状态方程强度模型失效模型

第31页/共108页2023/3/16材料模型通常，材料在动态载荷下的响应非常复杂，比如：非线形压力响应；应变和应变率硬化；热软化；各向异性料属性；拉伸断裂；复合材料破坏。一种材料模型不可能经历上面所有的响应；AUTODYN提供许多模型供用户选择，用户可以根据问题选择适合的模型。第32页/共108页2023/3/16材料模型体积变形形状变形平移刚体旋转材料变形第33页/共108页2023/3/16材料模型材料变形用两个独立的阶段来描述体积应力：由于体积改变(压强)状态方程(EOS)偏应力：由于形状改变强度模型对于一个固体材料，还需要指定材料失效标准。第34页/共108页2023/3/16材料模型对于线性、弹性应变，应力通过胡克定律计算：其中

和G是常数：其中是拉梅常数；G是剪切模量常数应力可以分解为静水压力和偏应力：其中P是静水压力，si是应力偏量i=1,2,3第35页/共108页2023/3/16材料模型许多情况应力超过了弹性极限，需要考虑更复杂的材料模型胡克定律一般非线性状态方程强度模型第36页/共108页2023/3/16ShearModulusGYoung’sModulusEPoisson’sRationBulkModulusKShearModulusYoung’sModulusShearModulusPoisson’sRatioShearModulusBulkModulusYoung’sModulusPoisson’sRatioYoung’sModulusBulkModulusPoisson’sRatioBulkModulusE-2G2GGE3(3G-E)2G(1+n)2G(1+n)3(1-2n)9KG3K+G3K-2G2(3K+G)E2(1+n)E3(1-2n)3EK9K-E3K-E6K3K(1-2n)2(1+n)3K(1-2n)材料模型弹性常数第37页/共108页2023/3/16材料模型状态方程SinglephaseMulti-phaseCompactionExplosive强度模型HydrodynamicelasticPerfectlyplasticStrainhardeningPressurehardeningStrain-ratehardeningThermalsofteningOrthotropic失效模型PlasticStrainTensilePressurePrincipalStress/StrainOrthotropicStress/StrainDamage第38页/共108页2023/3/16压力

饱和线液体区域气体区域固体区域液-气

共存区域熔化轨迹绝热线雨果线绝热线(p0,v0)体积物化相图状态方程第39页/共108页2023/3/16状态方程这个最简单的状态方程假设压力与内能无关，材料密度变化小，变化过程是可逆的(等熵的)，通常用于固体。Linear状态方程其中K是材料体积模量，μ是压缩比；线性状态方程是需要很少的材料数据，但是对于大的压缩情况不太精确。第40页/共108页2023/3/16状态方程拉伸状态：Polynomial

状态方程压缩状态：第41页/共108页2023/3/16状态方程在Shock状态方程中，采用的参考线形式如下：Shock

状态方程向大多数材料，特别是在非常高的冲击波下，线性方程可以满足：Us=c0+sup第42页/共108页2023/3/16状态方程一些带气孔的材料，在变形过程中由于气孔破裂，导致不可逆转的体积变形，比如：粉末(用来加工成型用的金属粉末)混凝土土壤这些材料要求状态方程：既允许不可逆转的气孔破裂，也要能计算初始的弹性体积变形和最后的材料状态。在AUTODYN中，使用三种状态方程来描述：PorousCompactionP-Alpha第43页/共108页2023/3/16状态方程压缩路径通过密度和压强的十个分段线性函数的值来描述(十个点可以不全部使用)；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44页/共108页2023/3/16状态方程是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45页/共108页2023/3/16状态方程完全压缩材料用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状态方程完全压缩Pa01apPorosity,a=rc/rPePc塑性压缩弹性卸载/重新加载弹性载荷第46页/共108页2023/3/16状态方程方程形式：IdealGas

状态方程其中：

=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47页/共108页2023/3/16状态方程用来描述高能炸药爆轰产物迅速膨胀；

JWL状态方程是一个经验公式，数据来源于物理实验；状态方程适用于大多数高能炸药；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。JWL

状态方程第48页/共108页2023/3/16初始平面Dcj状态方程变量爆轰产物反应尺寸未爆炸区域压强PP0体积vv0内能ee0化学能0Q速度up0体积CJ点CJ绝热线V0压强第49页/共108页2023/3/16状态方程JWL模型用于爆炸物质，包括爆炸和气体膨胀阶段：参考密度，C-J爆轰波速度DCJ参数A，C-J能量/单位体积ECJ参数B，C-J压强PCJ参数R1，参数R2

参数w自动转成理想气体状态方程。JWL

状态方程第50页/共108页2023/3/16状态方程压缩爆炸主要用于下列两种情况：如果PBK为零，那么当压缩比μ超过C-J压缩指定的值，单元就开始爆炸；如果PBK

是非零的话，爆炸以前压强为：当压强超过C-J压强BCJPCJ时，单元开始爆炸。压缩爆炸第51页/共108页2023/3/16状态方程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

状态方程第52页/共108页2023/3/16Steel-HE-Steel目标；铜弹碰撞速度:2.5km/s3.0km/s

速度为2.5km/s时，没有冲击引爆；速度为3.0km/s时，冲击引爆。状态方程Lee-Tarver

状态方程

2.5km/s

3.0km/s第53页/共108页2023/3/16状态方程描述爆炸物质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。随后的爆炸物质以下面定义的速率燃烧：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。SlowBurn

状态方程第54页/共108页2023/3/16燃烧率通过反应率控制状态方程SlowBurn

状态方程时间反应率第55页/共108页2023/3/16状态方程SlowBurn

状态方程随着反应速度的提高，压强也增大。压强时间第56页/共108页2023/3/16刚性材料(刚体)使用刚性材料：用标准材料输入方式选择EOSRigid用刚性材料填充任意非结构Part：对结构Part不能使用

通过质量/惯量填充单元定义质量/惯量：材料密度和填充单元的体积定义材料方便可以定义多个刚体材料。刚性材料第57页/共108页2023/3/16刚性材料(刚体)3D倾斜碰撞拉格朗日靶板可变形弹丸刚性弹丸第58页/共108页2023/3/16刚性材料(刚体)金属成型刚性冲头和模具非结构壳单元(主四边形)工作件冲头工作件模具第59页/共108页2023/3/16状态方程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60页/共108页2023/3/16基础培训四

状态方程强度模型失效模型

第61页/共108页2023/3/16强度模型NoneElasticVon-MisesViscoelasticJohnson-CookPiecewise-JCZerilli-ArmstrongSteinberg-Guinan材料强度类型Cowper-SymondsDrucker-PragerMO-GranularJohnson-HolmquistRHT-ConcreteBeam-PesistanceOrthotropicYieldCrushableFoam(Iso)UserStrength#1第62页/共108页2023/3/16强度模型材料强度描述屈服应力与应变、应变率和温度等之间的关系；AUTODYN中最简单的强度模型是Hydro、Elastic和VonMises(米塞斯屈服)模型。Hydrodynamic：剪切模量为零，没有材料强度；Elastic：剪切模量常数，没有屈服；Von-Mises(米塞斯屈服)：屈服应力和剪切模量是常数。第63页/共108页2023/3/16强度模型Von-Mises屈服准则如下：它也能写成如下形式：其中是主偏应力。屈服面第64页/共108页2023/3/16s1s3s2s1=s2=s3或强度模型屈服面第65页/共108页2023/3/16强度模型每一步的计算中，粘弹性的应力偏量对总应力有贡献(增加)：Viscoelastic

模型G

是材料的静态剪切模量G0

是材料的瞬时剪切模量

b是黏弹性衰减常数在每一步计算完成时将偏粘弹性应力加到弹性应力，形成总共的应力。第66页/共108页2023/3/16应力时间应变s=常数e=常数(大于零)应力松弛蠕变强度模型Viscoelastic

模型时间第67页/共108页2023/3/16强度模型用于大应变、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68页/共108页2023/3/16强度模型低速钢碰撞铝板(15m/s)应变硬化模型与实验非常一致塑性屈服(VonMises)的使用与物理不一致应变硬化效应(Johnson-Cook模型)第69页/共108页2023/3/16强度模型铁球以16.5km/s的速度正碰撞厚铝板使用拉格朗日+侵蚀模型使用Tillotson状态方程描述高能材料行为，包括气化使用Johnson-Cook强度模型来描述应变强化效应、应变率强化和温度软化模型，包括熔化模拟结果与实验比较一致高速碰撞(Johnson-Cook模型)第70页/共108页2023/3/16强度模型Johnson-Cook模型中的塑性流动运算法则已经被调整来降低高频震荡，在高应变率情况下，它可以从屈服面看到。Johnson-Cook应变率修正没有应变率修正有应变率修正修正应用于所有模型(缺省)在定义模型的时候，这个选项可以开/关。第71页/共108页2023/3/16强度模型Johnson-Cook模型中部分用有效塑性应变(EPS)的线性分段(十段)函数来表述；应变率和温度软化影响与Johnson-Cook模型相同。Piecewise-JC

模型屈服应力Y有效应变(EPS)第72页/共108页2023/3/16强度模型常用于无氧高导电性铜(OFHC-Copper)和阿姆克铁(工业纯铁)等；对于FCC和BCC金属有不同的形式。对于FCC金属有：对于BCC金属有：Zerilli-Armstrong

强度模型其中，Y0、C1、C2、C3、C4、C5和n为材料常数。第73页/共108页2023/3/16强度模型包括压强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74页/共108页2023/3/16强度模型一个简单的、通用的金属材料强度模型：应变硬化和应变率硬化Cowper和Symonds公式：其中，A是塑性应变为零时的屈服应力；B是应变硬化系数；n是应变硬化指数；D和q是应变率硬化系数。Cowper-Symonds强度模型第75页/共108页2023/3/16强度模型屈服应力Y可以随着十点的分段函数、线性函数或剪切模量常数G变化；常用于地质材料(土壤、岩石等)；压强硬化能用三种方式定义。10点的分段函数线性StassiDrucker-Prager

模型PYPYq第76页/共108页2023/3/16强度模型常用于干土、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77页/共108页2023/3/16强度模型用于易碎的材料，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；这种材料的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78页/共108页2023/3/16强度模型用户自定义强度模型子程序EXYLD定义屈服应力是计算变量的函数通过公共块使用其它的变量提供子程序构架用户自定义强度模型第79页/共108页2023/3/16基础培训四

状态方程强度模型失效模型

第80页/共108页2023/3/16失效模型绝大多数材料在失效之前，仅能抵挡相当小的拉伸应力和(或)应变；在AUTODYN中有许多方式来判定是否失效：一个单元的失效行为既可以是瞬时的(失效发生在循环计算中)，也可以是逐渐累计造成的(材料的抵制外界影响能力逐渐下降)。第81页/共108页2023/3/16失效模型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散裂或气穴现象。压强静水拉伸压强临界时间Hydro失效(Bulk)第82页/共108页2023/3/16失效模型当有效塑性应变超过输入的临界应变值时，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83页/共108页2023/3/16失效模型基于方向的应力/应变失效：对于拉格朗日/ALE/壳/SPH主应力主应变主应力/应变对于拉格朗日/ALE/SPH材料应力材料应变材料应力/应变方向失效模型第84页/共108页2023/3/16方向失效模型失效模型第85页/共108页2023/3/16失效模型失效标准：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86页/共108页2023/3/16失效模型直径为6.35mm的钢球以1449m/s的速度碰撞陶瓷目标；Johnson-Holmquist强度模型+损伤模型+断裂软化；钢球和靶板用SPH建立模型；陶瓷最终的破坏情况与实验比较。钢球碰撞陶瓷靶板第87页/共108页2023/3/16失效模型钢球碰撞陶瓷靶板模拟结果试验结果第88页/共108页2023/3/16失效模型用于陶瓷、混凝土等受压强度降低的易碎材料。累积破坏模型损伤参数D1.0Dmaxep1

ep2

epKKi1.0P>0P<0DDmaxDDDmaxDmaxP<0P>0P>0P<01-Dmax1.0YYiGGi1.01.0第89页/共108页2023/3/16失效模型用于对称载荷和对称几何情况；材料的细微缺陷地方–这些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。可用于模拟破片战斗部自然破片的质量和尺寸空间分布情况。随机失效第90页/共108页2023/3/16失效模型Mott应变失效分布：P是失效概率C和γ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91页/共108页2023/3/16失效模型随机失效-膨胀环第92页/共108页2023/3/16失效模型破片分析第93页/共108页2023/3/16破片数据失效模型第94页/共108页2023/3/16多层复合壳单元定义层数；每一层可以是各向同性或各向异性材料；对于各向异性材料，指定11方向每一层指定一个厚度。复合壳单元层定义第95页/共108页2023/3/16多层复合壳单元鸟撞机翼鸟用SPH算法第96页/共108页2023/3/16多层复合壳单元外层材料状态内层材料状态鸟撞机翼第97页/共108页2023/3/16材料库通过导航栏上的Material

菜单，然后使用Load进入材料库；材料可以按名字、状态方程、强度或失效方式排列；所有的材料有状态方程，绝大多数有强度模型，还有一些材料有失效模型；可以添加或修改材料库，还可以建立新的材料库；当选取材料后，数据单位自动转成当前单位。第98页/共108页2023/3/16用户材料模型用户材料模型所有的代码包含在一个模块里；MD_EOS_USER_1.F90(EXEOS)–用户定义状态方程；MD_STR_USER_1.F90(EXYLD)–用户定义强度模型；MD_FAI_USER_1.F90(EXFAIL)–用户定义失效模型；MD_ERO_USER_1.F90(EXEROD)–用于定义侵蚀。每一个模块包括的程序如下：用户界面输入定义；数据检查；分配变量；求解方程。第99页/共108页2023/3/16材料模型总结我们如何对一个具体的材料进行模型选择呢？根据材料本身，可以相对容易地大致确定材料种类液体或固体？各项同向或各向异性？惰性/活性？多孔或没有?易延展或易碎?压强是否依赖强度或粘性?实际使用的材料很大程度依赖于使用的领域和可以得到的材料数据原则：材料模型近可能简单第100页/共108页2023/3/16状态方程总结惰性气体：IdealGas各向同性固体(金属、聚合物、混凝土、地质学材料等等......)无孔小压缩情况(<1%)：Linear大压缩情况(>1%)：Shock、Tillotson、Puff、Sesame、Two-Phase有孔非常小的压缩

(压缩不重要)：Linear小压缩情况

(压缩但没有冲击影响)：Porous、Compaction大压缩情况