第5章

材料模式及狀態方程1精選2021版課件本章目標1.對ANSYS/LS-DYNA中的材料模型有一個全面的認識2.熟悉通過GUI輸入材料數據3.對特定材料模型的應用有所了解4.學會在顯式動力分析中定義材料屬性5.了解材料模式與狀態方程的關系6.LS-DYNA其他的材料模式2精選2021版課件概述–材料模型 ANSYS/LS-DYNA包括有大量的材料模型，幾乎對所有應用都有對應的材料相對于ANSYS隱式分析,ANSYS/LS-DYNA提供了相當大的材料庫ANSYS/LS-DYNA提供了ANSYSimplicit中不具備的特性:應變率相關塑性模型 溫度敏感塑性材料應力和應變失效準則模型空材料狀態方程模型3精選2021版課件概述–材料模型 （續）LinearElasticIsotropic(withFluidOption)OrthotropicAnisotropicPlasticityRateIndependent(2)RateSensitive(8)CompositeDamageConcreteOtherRigidbodiesCablesFluidNonlinearElasticBlatz-KoRubberMooney-RivlinViscoelasticFoamIsotropic(4)OrthotropicEquationofStateTemp.&strainratedependentplasticityNullmaterials4精選2021版課件GUI材料輸入描述所有ANSYS/LS-DYNA支持的材料模型都具有GUI格式新的GUI允許優化材料模型過濾的GUI菜單只要求添加相關數據5精選2021版課件GUI材料輸入步驟1:增加新的材料模型Preprocessor:MaterialProps>DefineMATModel>Add

2:選擇所要材料模型確保輸入正確材料號選擇模型所屬類別(如塑性)選擇需要的材料模型6精選2021版課件GUI材料輸入步驟（續）3:輸入相關數據對于幾乎所有的材料模型都需要DENS,EX和NUXY命令7精選2021版課件GUI材料輸入步驟（續）對于ANSYS/LS-DYNA中的一些材料模型,需要輸入載荷曲線.例如屈服應力與塑性應變之間的關系曲線等.載荷曲線由EDCURVE命令定義:Preprocessor:Materialprops>CurveOptions...8精選2021版課件材料模型–線彈性有3種線彈性材料模型:彈性(各向同性):所有方向的材料特性相同正交各向異性:特性具有3個相互垂直的對稱面各向異性:材料中各個點處的特性是獨立的線彈性材料不經歷任何塑性變形，由虎克定律定義變形

彈性材料(各向同性)材料:大多數工程金屬是各向同性的(如鋼鐵)簡單地由DENS,EX,和NUXY定義9精選2021版課件材料模型–線彈性（續）正交各向異性一般用9個獨立參數和DENS定義正交各向異性材料橫向各向同性材料（一種特殊的正交各向異性）由5個獨立常數(EXX,EZZ,NUXY,NUXZ,GXY)和DENS定義正交各向異性材料根據特定的坐標系來定義1.拾取LinearElastic>Orthotropic2.輸入相關材料常數和密度3.輸入局部坐標系ID，局部坐標系由EDLCS命令或以下菜單確定:

Preprocessor:MaterialProps>LocalCS>CreateLocalCS10精選2021版課件材料模型–線彈性（續）各向異性:各向異性材料由21個獨立參數和DENS定義1.選擇LinearElastic>Anisotropic2.輸入參數與密度3.輸入坐標系ID11精選2021版課件材料模型–非線性彈性在非線性彈性材料組中有3種模型:Blatz-Ko:用于像橡膠一樣的可壓縮材料MooneyRivlin:用于定義不可壓縮橡膠材料Viscoelastic:定義玻璃類材料非線性彈性材料可以經受大的可恢復的彈性變形Blatz-Ko橡膠材料只用于受壓橡膠材料泊松比(NUXY)ANSYS自動設為.463,因此只需要DENS和GXY材料響應通過應變能量密度函數(W)確定:Blatz-KoRubber:12精選2021版課件材料模型–非線性彈性(續）用來定義不可壓縮橡膠材料響應Mooney-Rivlin模型類似于ANSYS隱式的2參數模型

需要輸入DENS,NUXY和Mooney-Rivlin常數C10與C01為保證不可壓縮行為,NUXY的值設在.49和.5之間材料響應通過應變能量密度函數(W)定義:式中1,

2,和

3為應變不變量，K為體積模量.Mooney-Rivlin:13精選2021版課件材料模型–非線性彈性(續）剪切關系由下式描述:除了密度DENS,還需輸入以下參數:Go

=Theshortterm(origin)elasticshearmodulusG

=Thelongterm(infinity)elasticshearmodulusK =elasticbulkmodulus1/

=decayconstantViscoelastic:14精選2021版課件材料模型–塑性在ANSYS/LS-DYNA中有11種塑性模型模型的選擇取決于要分析的材料和可以得到的材料參數.大多數高度非線性有限元分析的精度取決于所使用的材料參數.要得到好的分析結果，需要使用精確的材料參數.塑性模型可以分為3大類：類別1:各向同性材料應變率無關塑性材料模型(3)類別2:各向同性應變率相關塑性模型(5)類別3:各向異性應變率相關塑性模型(3)位于不同的類別內的材料模型之間區別很大，但在一個類別內的材料模型差別不大，通常只是可獲得的材料參數不同.15精選2021版課件材料模型–塑性:類別1類別1:各向同性應變率無關塑性模型有3個基本的應變率無關塑性模型:a.經典雙線性隨動硬化(BKIN)b.經典雙線性各向同性硬化(BISO)c.彈性塑性流體動力(HYDRO)這些模型用彈性模量(EX)和切線模量(ETAN)來表示材料的應力-應變關系應變率無關模型通常用于像板金成型一類的總的成型過程相對長的計算中。所有3個模型可以用于大多數工程金屬（鋼、鋁、鑄鐵等)BKIN與BISO模型之間唯一的區別是硬化假設，隨動硬化假定二次屈服在2

y時出現，而等向硬化出現在2

max16精選2021版課件材料模型–塑性:類別1（續）BKIN和BISO模型要輸入的參數類似:DENS,EX,NUXY,YieldStress(

y),和TangentModulus(Etan)17精選2021版課件材料模型–塑性:類別1（續）Elastic-PlasticHydrodynamic適用于經受大變形乃至失效的材料如果沒有指定有效真實應力與應變,則認為是等向硬化，需要指定sy和Etan來定義屈服強度，塑性硬化模量Eh由E和Etan定義

.應力應變行為也可以用最多16個數據點來定義.需要指定一個線性多項式方程.18精選2021版課件材料模型–塑性:類別2類別2:各向同性應變率相關塑性材料對于各向同性材料有5種應變率相關塑性模型:a.塑性隨動:帶有失效應變的Cowper-Symonds模型b.率敏感:帶有強度和硬化系數的Cowper-Symonds模型c.分段線性:帶有多線性曲線和失效應變的Cowper-Symondsd.率相關:用載荷曲線和失效應力定義的應變率e.冪法則:用于超塑成型的Ramburgh-Osgood模型模型2a-2c使用Cowper-Symonds模型在應變率的基礎上縮比屈服應力:其中：C，P是Cowper-Symonds常數.由于彈性模量、屈服應力、切線模量和失效應力都可以作為應變的函數輸入，模型2d是最普通的應變率模型。模型2a-2d可以用于一般的金屬和各向同性材料塑性成型分析模型2e是專用于超塑成型的特殊材料模型.19精選2021版課件2a.PlasticKinematic:材料模型–塑性:類別2（續）雙線性硬化模型(

yandEtan)硬化參數

在0(kinematic)和1(isotropic)之間失效應變決定刪除失效單元.屈服應力:其中

0是初始屈服應力

peff等效塑性應變, Ep塑性硬化模量，由此公式確定:20精選2021版課件2b.率敏感：材料模型-塑性類別2具有雙線性等向硬化的塑性行為用強度系數K和硬化系數N定義的冪法則屈服函數如下定義:

e是彈性應變21精選2021版課件2c.分段線性:材料模型-塑性：類別2用等效應力與有效塑性應變載荷曲線ID號定義的應力應變行為類似于ANSYS隱式分析中的TB,MISO模型對于需要刪除單元的模型可以輸入失效應變最常用于碰撞模擬.屈服面由由Cowper-Symonds模型針對率相關進行縮比.22精選2021版課件2d.率相關:材料模型-塑性:類別2大多數普通應變率塑性模型均屬此類

y,E,Etan,和

fail都可以是率相關的給定塑性應變率后的應力如下定義:where LCID1=defines

yasafunctionof LCID2=definesEasafunctionof LCID3=definesEtanasfunctionof LCID4=defineseffectivevonMisesstressatfailureasafunctionof23精選2021版課件其它常用的材料模式*mat_null+EOS(常見流體)*mat_high_explosive+EOS（炸藥）*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO+EOS（固體在高應變率下的流體表現）*mat_3-parameter_barlat（三參數的BARLAT各向異性塑性金屬材料）*mat_transversely_elastic_plastic（橫向各向異性金屬材料）*mat_fabric（氣囊、絲織物）*mat_composite_failure_options_model（實體或殼復合材料）*mat_seatbelt（安全帶材料）*mat_thermal_options（材料熱物理參數）*user_defined_material_models（用戶自定義材料的參數輸入）24精選2021版課件狀態方程的使用在LS-DYNA中，常規條件下的結構材料，不使用狀態方程流體，使用狀態方程高速、高壓變形的結構材料需附帶狀態方程。狀態方程：僅用于描述材料的體積變形行為：

p=f(v,r,E,T)

v:相對體積

r:密度

E:內能

T:溫度結構材料在高壓（6~10Gpa）或高速（100m/s以上）碰撞等變形條件下，采用狀態方程物質燃燒等化學反應過程必須由狀態方程控制。25精選2021版課件常用的狀態方程*eos_linear_polynomial(線性多項式)*eos_jwl（炸藥）*eos_gruneisen（結構材料）*eos_ignition_and_growth_of_reaction_in_he（推進劑燃燒）*eos_tabulated（列表方式）26精選2021版課件材料本構總結1.對于每種單元類型，未必能夠使用所有的材料