《LSDYNA培訓手冊》PPT參考課件

1、材料的定義,第3-1章,Inventory #001630 3-2,材料的定義本章目標,本章內容覆蓋了ANSYS/LS-DYNA中材料模式的選擇與定義 標題: 現有的材料模型 ANSYSLS-DYNA材料的圖形操作界面（GUI） 輸入材料數據 線彈性材料 非線性彈性材料 塑性材料 應變率無關各向同性塑性材料 應變率相關各向同性塑性材料 應變率相關各向異性塑性材料 壓力相關塑性材料 溫度敏感塑性材料 狀態(tài)方程模型,Inventory #001630 3-3,材料的定義 本章目標,標題 (續(xù)): 空材料 損傷模型 泡沫材料 離散單元性質 索單元性質 剛性材料 一般材料定義指導 材料定義練習,Inv

2、entory #001630 3-4,材料的定義A. 可用的材料模型,ANSYS/LS-DYNA支持比ANSYS隱式更大的材料庫，因此，它幾乎能模擬任何實際問題。 ANSYS/LS-DYNA材料庫提供許多特性，其中包括 : 考慮應變失效的應變率相關塑性材料模型 溫度相關和溫度敏感塑性材料模型 狀態(tài)方程和空材料模型（鳥撞分析等） 為了使用方便，這些材料模型分為5組GUI菜單: Linear Nonlinear Equation of State Discrete Element Properties Rigid Materials,Inventory #001630 3-5,材料的定義B. AN

3、SYS/LS-DYNA材料圖形用戶界面,材料GUI目錄樹圖結構與隱式ANSYS一致,Inventory #001630 3-6,材料的定義. ANSYS/LS-DYNA材料圖形用戶界面,現有的ANSYS/LS-DYNA材料庫包括:,Inventory #001630 3-7,材料的定義 ANSYS/LS-DYNA材料圖形用戶界面,材料輸入方法簡單不易出錯 圖形用戶界面禁止密度隨溫度變化的輸入 不再使用MPMOD和MPUNDO命令 圖形用戶界面能接受直接批處理輸入方式 (w/o MPMOD),Inventory #001630 3-8,材料的定義C. 輸入材料數據,ANSYS/LS-DYNA中大

4、多數材料需要輸入密度 (DENS), 楊氏模量(EX)和泊松比 (NUXY or PRXY) , 這些定義都使用MP命令。 在ANSYS/LS-DYNA中，一些材料模型需要輸入載荷曲線。這些曲線用來定義材料的兩個變量的相關性，例如屈服應力隨塑性應變的變化。 使用兩組數組和EDCURVE 定義載荷曲線: Preprocessor Material Props Curve Options . 通常，應力應變數據是指真應力與真應變格式,Inventory #001630 3-9,材料的定義. 輸入材料數據,通過EDCURVE, LIST或EDCURVE, PLOT命令檢查應力應變數據,Invento

5、ry #001630 3-10,材料的定義D. 線彈性材料,線彈性材料中包括四種不同的材料模型: 流體 : 充滿流體的容器在沖擊載荷下的彈性性質 各向同性 : 材料性質各個方向都相同 正交各向異性 : 3個相互正交對稱平面上的性質不同 各向異性 : 材料中一點的性質與該點在材料中的位置無關 線彈性材料沒有塑性變形而完全由虎克定律來定義: 流體 : EDMP, FLUID, MAT, K 彈性流體模型要求輸入DENS（密度）、K（體積模量） 體積模量可以通過EDMP命令直接輸入或者由EX和NUXY的值用下式自動計算:,Inventory #001630 3-11,材料的定義. 線彈性材料,各向同

6、性 : 大多數工程材料（例如鋼鐵）都是各向同性的 通過DENS、EX和NUXY定義即可 正交各向異性 : EDMP, ORTHO 正交各向異性材料通過9個獨立的常數和DENS定義 橫向各向同性材料（正交各向異性的一種特例）通過5個獨立的常數(EXX, EZZ, NUXY, NUXZ, GXY)和 DENS定義 正交各向異性材料的定義與EDLCS命令所定義的坐標系編號有關: Preprocessor: Material Props Local CS Create Local CS 各向異性 : EDMP, ORTHO 和 TB, ANEL 各向異性材料通過21個相互獨立的參數和DENS定義 使用

7、局部坐標系 (EDLCS) 和數據表 (TB,ANEL),Inventory #001630 3-12,材料的定義E. 非線性彈性材料,非線性彈性材料包括三種材料模型: Blatz-Ko模型: 可壓縮泡沫材料（例如聚氨酯橡膠） Mooney-Rivlin模型 : 不可壓橡膠材料 粘彈性材料 : 玻璃和類玻璃材料 非線性彈性材料能夠經受大的可恢復彈性變形。所有的超彈材料(Blatz-Ko 和 Mooney-Rivlin)應變是可逆的，但是粘彈性材料粘性部分的應變是不可逆的，彈性應變部分是可逆的。 Blatz-Ko 超彈模型 : Blatz-Ko 材料模型只用于壓縮下的橡膠材料 ANSYS/LS-

8、DYNA自動設定泊松比 (NUXY)為 0.463，因此僅需要輸入DENS和GXY 材料響應通過應變能密度函數W定義,Inventory #001630 3-13,材料的定義. 非線性彈性材料,Mooney-Rivlin 超彈材料 : TB, MOONEY, , , , TBOPT 用于定義不可壓縮橡膠的材料響應 與ANSYS隱式雙參數模型基本相同 需要輸入DENS, NUXY, 和常數C10 和 C01 為保證不可壓縮性質, NUXY 必須在 0.49和0.50間取值 Mooney-Rivlin系數可以直接輸入(TBOPT=0)或者通過LS-DYNA對測試數據的計算得到 (TBOPT=2)。

9、對后一種情況，舉例如下: TB, MOONEY, 1, , , 2 ! 材料1的計算數據 TBDATA, 1, 0.0, 0.0 ! C10 和 C01 設為零 TBDATA, 3, L0 , w, t ! 樣品的原始長度、寬度和厚度 TBDATA, 6, LCID ! 長度變化與力載荷曲線數據 注: 如果L0 , w和t都等于1.0, 那么LCID =工程應力vs. 應變 材料響應通過應變能密度函數W定義： 1 , 2 和 3 是應變不變量，K 是體積模量。,Inventory #001630 3-14,材料的定義. 非線性彈性材料,粘彈性材料 : TB, EVISC 這類材料具有彈性（變形

10、可恢復）部分和粘性（變形不可恢復）部分 用于模擬類玻璃材料和火箭固體燃料等 剪切關系由下式表達: 除了密度 DENS, 還需輸入以下參數: Go = 短期 (初始) 彈性剪切模量 G = 長期 (無限)彈性剪切模量 K = 彈性體積模量 1/= 衰減常數,Inventory #001630 3-15,材料的定義F. 塑性材料,塑性材料模型包含ANSYS/LS-DYNA中大多數非線性非彈性材料。要根據所分析材料的類型、應用領域和材料常數的可獲取性來選擇某個特定塑性模型。 塑性模型可以分為五類: 類別 1：應變率和塑性無關的各向同性材料 類別 2: 應變率和塑性相關的各向同性材料 類別 3: 應變

11、率和塑性無關的各向異性材料 類別 4: 壓力相關塑性 類別 5: 溫度敏感塑性 為分析材料選擇正確的類別非常重要， 在某類別內選擇特定的模型相比就不那么重要了，這通常取決于材料數據的可獲取性。,Inventory #001630 3-16,材料的定義. 塑性材料,大多數非線性有限元分析精確性的關鍵在于材料常數的質量。為了得到最好的結果，應該從材料供應者那里得到材料常數或者去做材料特性分析。 一些塑性模型需要輸入附加的狀態(tài)方程 (EOS)。這些方程將會在介紹完所有的塑性模型后進行詳細的討論。,Inventory #001630 3-17,材料的定義G. 應變率無關各向同性塑性材料,類別1: 應變

12、率和塑性無關的 各向同性材料 1a: 經典的雙線性隨動硬化 (BKIN) 1b: 經典的雙線性等向硬化 (BISO) BKIN 和 BISO : TB, BKIN 和 TB, BISO 這些模型通常用于整個成形持續(xù)時間相對較長的過程（例如金屬板沖壓），以及大多數工程材料中（鋼、鋁、鑄鐵等）。 兩種模型都有兩個斜率，彈性模量(EX)和切向模量(ETAN) 來表達材料的應力應變行為。 BKIN和BISO模型所需輸入的參數相同 : MP命令定義DENS, EX和NUXY TB和TBDATA命令定義屈服應力和切向模量,Inventory #001630 3-18,材料的定義.應變率無關各向同性塑性材料

13、,BKIN和BISO模型的差別僅在于硬化假設不同。 隨動硬化假設二次屈服發(fā)生在2y 等向硬化假設二次屈服發(fā)生在2max BISO模型允許有溫度相關: 預加熱載荷分析和熱瞬態(tài)分析 (見第2-1章) 指定六個溫度條件下的材料數據 使用MPTEMP, MPDATA, TBTEMP和TBDATA 設定高屈服應力模擬熱彈性材料,Inventory #001630 3-19,類別2:應變率和塑性相關的 各向同性材料 2a: 塑性隨動: 帶有失效應變的Cowper-Symonds模型 2b:冪率硬化: 帶有強度和硬化系數的Cowper-Symonds模型 2c: 分段線性: 帶有多線性曲線和失效應變的Cow

14、per-Symonds模型 2d: 率相關: 通過載荷曲線和失效應力定義應變率 2e: 應變率敏感: 超塑性成形的Ramburgh-Osgood模型 模型2a - 2d可用于一般材料和各向同性材料的塑性成形分析 模型2a - 2c利用Cowper-Symonds 模型，模型的屈服應力與應變率因子有關:,材料的定義H.應變率相關各向同性塑性材料,C和P是Cowper-Symonds應變率參數。,Inventory #001630 3-20,塑性隨動 : TB, PLAW, , , , 1 雙線性硬化塑性 (y 和 ETAN) 硬化參數 在 0 (kinematic) 和 1 (isotropic

15、)之間 失效應變決定刪除失效單元 屈服應力:,材料的定義.應變率相關各向同性塑性材料,其中0 是初始屈服應力, peff 是有效塑性應變, Ep 是塑性硬化模量，由此公式確定 :,Inventory #001630 3-21,材料的定義.應變率相關各向同性塑性材料,冪率硬化 : TB, PLAW, , , , 4 帶有雙線性等向強化的塑性行為 強度系數k和硬化系數n定義的冪率硬化 屈服應力:,其中e 是彈性應變。,Inventory #001630 3-22,材料的定義.應變率相關各向同性塑性材料,分段線性 : TB, PLAW, , , , 8 模型在求解時非常有效，通常用于碰撞分析 與AN

16、SYS 隱式中的TB, MISO模型類似 用有效真應力與有效真應變載荷曲線定義應力應變行為 輸入失效應變，以確定需要刪除的單元 屈服面由 Cowper-Symonds 模型針對率相關進行縮放,Inventory #001630 3-23,材料的定義.應變率相關各向同性塑性材料,率相關 : TB, PLAW, , , , 5 這是最普通的應變率相關的塑性模型，因為彈性模量(E) 、屈服應力(y) 、切向模量(ETAN)和失效應力(FAIL)均可以應變的函數形式輸入。 給定塑性應變率后的屈服應力如下定義:,其中 LCID 1 = defines y as a function of LCID 2

17、= defines E as a function of LCID 3 = defines ETAN as function of LCID 4 = defines effective von Mises stress at failure as a function of,Inventory #001630 3-24,材料的定義.應變率相關各向同性塑性材料,應變率敏感 : TB, PLAW, , , , 2 是專門用于超塑性成形的特定模型。 Ramburgh-Osgood本構關系的屈服應力如下 :,其中 k 是材料系數, m 是硬化系數, n 是應變率參數, 是應變率。,Inventory

18、#001630 3-25,材料的定義I.應變率相關各向異性塑性材料,類別 3:應變率相關各向異性塑性材料 3a: 橫向各向異性: 應變率相關Hills屈服準則 3b: 3參數Barlat: 用于鋁板成形等正交各向異性模型 3c: Barlat各向異性: 三維連續(xù)體成形各向異性模型 3d: 橫向各向異性成形極限圖硬化 模型3a用于模擬常規(guī)各向異性材料的高應變率成形過程 模型3b和3c由ALCOA開發(fā)專用于金屬鋁的加工成形 模型3d專用于鈑金成形,Inventory #001630 3-26,材料的定義.應變率相關各向異性塑性材料,橫向各向異性 : TB, PLAW, , , , 7 通常用于各向

19、異性的鈑金成形 可以通過定義載荷曲線參數來表達有效屈服應力和有效塑性應變的關系 屈服應力:,各向異性硬化參數R用面內塑性應變率與面外塑性應變率的比值來定義:,Inventory #001630 3-27,材料的定義.應變率相關各向異性塑性材料,3參數Barlat : TB, PLAW, , , , 3 開發(fā)用于鋁板在平面應力狀態(tài)下的鈑金成形 對于線性硬化準則, 輸入 y 和 ETAN 對于指數硬化準則, 輸入 n 和 m 推薦的Barlat指數: 體心立方晶格（BCC）金屬取m=6，面心立方晶格（FCC）金屬取 m=8 正交各向異性Lankford系數用于長度與厚度比 正交各向異性材料的坐標系

20、通過EDMP命令輸入,Inventory #001630 3-28,材料的定義.應變率相關各向異性塑性材料,Barlat各向異性 : TB, PLAW, , , , 6 用于三維連續(xù)材料的鈑金成形過程中的材料模型，特別是鋁 大多用于實體材料（例如非板材） 實驗確定6個各向異性參數: a,b,c,f,g,h 推薦的Barlat指數: 體心立方晶格金屬取m=6，面心立方晶格金屬取 m=8 屈服應力: y=k(o+ p)n 其中 o 和 p 是初始屈服應變和塑性應變,Inventory #001630 3-29,材料的定義.應變率相關各向異性塑性材料,橫向各向異性 FLD : TB, PLAW, ,

21、 , , 10 用于模擬橫向各向異性金屬的鈑金成形 僅用于殼單元 屈服行為可以通過sy和ETAN或有效應力和塑性應變曲線來定義 成形極限圖也可以用載荷曲線輸入，來計算最大應變率,Inventory #001630 3-30,應力應變行為也可以通過多達16個數據點來定義。 線性多項式狀態(tài)方程也必須給定 (EOSOPT)。,材料的定義J.壓力相關塑性材料,類別4: 壓力相關塑性 4a: Elastic-Plastic Hydrodynamic: 在大應變下會失效的材料 4b: Geological Cap Model: 地質蓋帽模型 Elastic-Plastic Hydrodynamic : T

22、B, PLAW, , , , 9, EOSOPT 如果沒有定義有效真應力和真應變，就假定為等向強化，而且必須指定Sy和ETAN來定義屈服強度 :,其中塑性硬化模量 Eh通過E 和 ETAN定義,Inventory #001630 3-31,材料的定義.壓力相關塑性材料,Geological Cap Model : TB, GCAP 無粘滯性雙不變量地質蓋帽材料模型 地質力學問題或混凝土類材料 雙不變量蓋帽理論擴展至包含隨動強化 采用剪切模量代替彈性模量 模型的詳細信息請參考LS-DYNA理論手冊（在與ANSYS6.0理論手冊的同一張光碟上）。,Inventory #001630 3-32,材料

23、的定義K.溫度敏感塑性材料,類別5: ANSYS/LS-DYNA中有四種塑性模型來描述溫度效應. 大部分模型需要定義附加狀態(tài)方程(EOS) : 5a: Bamman: 使用內部狀態(tài)方程變量的復雜材料模型 5b: Johnson-Cook: 高應變率和溫度相關問題 5c: Zerilli-Armstrong: 高速沖擊和某些金屬成形過程 5d: Steinberg: 極高應變率條件下(105)材料成形的模擬 Bamman : TB, EOS, , , , 4 用于金屬成形的復雜應變率相關材料模型 內部狀態(tài)方程變量通過常數Ai直接輸入模型，無需定義附加狀態(tài)方程。 Bamman模型需要輸入流動應力參

24、數Ci,Inventory #001630 3-33,A, B, C, m, 和n 是用實驗方法確定的常數， p是有效塑性應變 也需要輸入有效塑性應變率，由下式給出:,材料的定義.溫度敏感塑性材料,Johnson-Cook : TB, EOS, , , , 1, EOSOPT Johnson-Cook模型主要用于高應變率過程，如伴隨較大溫升的機加工 模型的開發(fā)源自彈道學 需要輸入 DENS, EX, 和 NUXY 屈服應力:,Inventory #001630 3-34,溫度計算需要輸入比熱、熔點和室溫 通過下式中的失效常數D1-D5 ，失效應變可以并入到模型中: 其中 Johnson-Coo

25、k參數輸入后，要輸入狀態(tài)方程常數，可以是線性多項式或Gruneisen模型(EOSOPT 后面討論)。,材料的定義.溫度敏感塑性材料,Inventory #001630 3-35,材料的定義.溫度敏感塑性材料,Zerilli-Armstrong : TB, EOS, , , , 3, EOSOPT Zerilli-Armstrong模型用于金屬成形過程和高速沖擊等這些應力與應變、應變率及溫度相關的應用領域 。這種模型必須使用狀態(tài)方程。 Zerilli-Armstrong模型需輸入流動應力 (Ci), 溫度 (Bi) 和熱容(Gi)系數。,Inventory #001630 3-36,材料的定義

26、.溫度敏感塑性材料,Steinberg : TB, EOS, , , , 5, EOSOPT 帶失效的高應變率(105)的固體變形 非常適合于加工過程和高速沖擊分析 屈服強度是溫度和壓力的函數 狀態(tài)方程(EOS)決定壓力,Inventory #001630 3-37,材料的定義L. 狀態(tài)方程 (EOS),ANSYS/LS-DYNA中有三種不同類型的 EOS : 線性多項式 : EOS 是內能的線性方程 Gruneisen : EOS 通過兩種方式定義壓力體積關系 列表格式（ Tabulated ）: 簡化的EOS ，也是內能的線性方程 線性多項式 : EOSOPT = 1 EOS 是內能的線性

27、方程 壓力由和線性系數Ci決定: P = C0 + C1 + C22 + C33 + (C4 + C5 +C62) E 其中 = /0 1 ， 和 0 是當前和初始密度,Inventory #001630 3-38,材料的定義.狀態(tài)方程 (EOS),Gruneisen : EOSOPT = 2 壓力體積關系與材料是壓縮還是膨脹有關。帶有立方沖擊速度-質點速度的Gruneisen狀態(tài)方程通過和Gruneisen系數C, a, S1, S2, S3及0定義壓力，對壓縮材料：,列表格式（Tabulated） : EOSOPT = 3 EOS是內能的線性方程. 壓力為: P = Ci (vi) + T

28、i (vi) E 其中 Ci 和 Ti 分別是體積壓力和溫度, vi 是體積應變,Inventory #001630 3-39,材料的定義M. 空材料,空材料 : TB, EOS, , , , 2, EOSOPT 空材料允許在不計算偏應力的條件下考慮狀態(tài)方程 空材料大多用于鳥撞分析 需要輸入密度DENS和截止壓力。對空的梁和殼需要輸入EX 和 NUXY 也可定義拉壓下的粘性和侵蝕（可選） EOSOPT 需設定為1、2或3來指定參考的狀態(tài)方程,Inventory #001630 3-40,材料的定義N. 損傷模型,ANSYS/LS-DYNA有兩種損傷模型: 混凝土損傷: 沖擊載荷下的鋼筋混凝土

29、復合材料損傷: 用于吸能的復合材料失效分析 混凝土損傷: TB, CONCR, , , , 2 僅用于SOLID164單元, 需要輸入泊松比、密度、混凝土和加強鋼筋常數 必須使用列表格式狀態(tài)方程 復合材料損傷: TB, COMP 必須輸入每個方向上的彈性模量、剪切模量和泊松比（無默認值） 可以輸入剪切、縱向拉伸、橫向拉伸、橫向壓縮強度來定義失效 壓縮失效需要定義材料的體積模量,Inventory #001630 3-41,材料的定義O. 泡沫材料,ANSYS/LS-DYNA有5種不同的泡沫材料模型: 閉室泡沫: 低密度泡沫材料 (例如聚氨酯泡沫) 低密度泡沫: 高度可壓縮性材料 (例如座墊)

30、粘性泡沫: 用在碰撞跌落模擬中的能量吸收泡沫 可壓碎泡沫: 永久性壓碎材料 (例如聚苯乙烯) 蜂窩材料: 正交各向異性壓碎泡沫 特定模型的選擇取決于所分析材料的類型 ANSYS/LS-DYNA所有泡沫材料模型主要用于汽車碰撞分析,Inventory #001630 3-42,材料的定義. 泡沫材料,閉室泡沫: TB, FOAM, , , , 1 開發(fā)用于低密度聚氨酯 (常用于船用集裝箱及汽車設計中的沖擊限制物建模) 要輸入DENS, EX, 初始泡沫壓力Po, 泡沫聚合密度比率 包括封閉氣壓效應 NUXY 被近似地設為零 屈服條件: y = a + b(1+c ) 其中 a, b和c 為實驗確

31、定的參數, = V/ Vo + o - 1 其中 V 是當前體積, Vo 是初始體積, o 是初始體積應變,Inventory #001630 3-43,材料的定義. 泡沫材料,低密度泡沫 : TB, FOAM, , , , 2 主要用于模擬汽車座墊 需要輸入密度DENS和彈性模量EX 采用載荷曲線標識號(LCID)輸入應力應變行為 對于壓縮，模型用可能的能量耗散來假設材料的滯后行為 對于拉伸，直到拉伸截止應力以前模型均表現為線性行為 NUXY 近似的設為零 使用滯后卸載時，如果衰減常數 = 0 ，重新加載將會沿卸載曲線進行 如果非零, 初始載荷由1- e-t決定，可用粘性系數(0.05-0.

32、5)模擬阻尼效應 體積粘度如果標記為1，則被激活 滯后卸載使用形狀卸載因數，數值上小于1能量耗散 輸入的滯后卸載(HU)因數在0到1之間，如果HU=1 ，就沒有能量耗散,Inventory #001630 3-44,材料的定義. 泡沫材料,粘性泡沫 : TB, FOAM, , , , 3 在碰撞模擬中吸能泡沫常用于模擬吸能材料（例如假人） 僅用于壓縮載荷下的實體模型 由平行的非線性彈簧和粘性阻尼構成 需要有DENS, EX (初始楊氏模量E1) 和 NUXY 彈性剛度E 定義為: E = E1 V-n1 其中 n1 是彈性剛度冪率 粘性系數V 定義為: V = V2 |1-V|n2 其中 V2

33、 = 初始粘度系數 n2 = 粘度系數冪率,Inventory #001630 3-45,材料的定義. 泡沫材料,可壓碎泡沫 : TB, FOAM, , , , 4 用于可永久壓碎的材料（如聚苯乙烯固體） 可選擇粘性阻尼和截止張力（撕裂） 卸載認為是完全彈性過程 拉伸按照完全彈塑性處理 需DENS, EX, NUXY 需輸入定義屈服應力與體積應變的載荷曲線 體積應變 為: = 1 V 其中 V 為當前體積和初始體積之比,Inventory #001630 3-46,材料的定義. 泡沫材料,蜂窩材料 : TB, FOAM, , , , 5 正交各向異性可壓碎泡沫為側面沖擊緩沖器前端材料和航空結構

34、而開發(fā) 可以分別定義法向應力和剪切應力的非線性行為 需要DENS, EX, NUXY和粘性系數 需輸入完全壓實的蜂窩的屈服應力和體積 需輸入彈性模量和每個正交方向上的應力與相對體積或體積應變載荷曲線,Inventory #001630 3-47,材料的定義P. 離散單元性質,COMBI165 離散單元要求有彈簧或阻尼性質 彈簧需要有剛度系數或者力與變形曲線 阻尼需要有阻尼系數或者力與變形速率曲線 轉動性質可以用來代替平動性質 離散彈簧性質的六個選項: 線彈性彈簧 (TB, DISCRETE, , , , 0) 通用非線性 (TB, DISCRETE, , , , 5) 非線性彈性彈簧 (TB,

35、 DISCRETE, , , , 3) 彈性塑料彈簧 (TB, DISCRETE, , , , 2) 非彈性拉壓 (TB, DISCRETE, , , , 7) Maxwell粘性彈簧 (TB, DISCRETE, , , , 6) 離散阻尼性質的兩個選項: 線性粘性阻尼 (TB, DISCRETE, , , , 1) 非線性粘性阻尼 (TB, DISCRETE, , , , 4),Inventory #001630 3-48,材料的定義Q. 索單元性質,LINK167 單元需要有索材料屬性 單元壓縮時（松弛狀態(tài)）不承擔載荷 需要定義密度 (DENS)和彈性模量(EX) 索鏈剛度: K = (

36、E) (Area0) / (L0 Offset) 或者通過指定工程應力-應變（載荷）曲線，而不考慮用楊氏模量來計算索鏈剛度,Inventory #001630 3-49,材料的定義R. 剛性材料,聲明一種材料是剛性的，從而這種材料構成的梁、殼和實體單元都成為剛體. 下述幾點很重要: 剛體材料的楊氏模量不能任意大。LS-DYNA 用楊氏模量計算接觸罰剛度，而接觸罰剛度決定了接觸穿透。 如果材料聲明為剛性，那么任何屬于這種材料的單元必須屬于同一剛體。因此，分配材料屬性時必須非常小心。正如前一章討論的，最好考慮使用Parts，采用完全相同的單元類型、實常數集和材料來定義各種不同的Parts. EDM

37、P, RIGID命令不僅聲明一種材料是剛性的，同時也約束了剛體的運 動特性,Inventory #001630 3-50,材料的定義S. 一般材料定義指導,并非所有材料都支持每一種單元類型。查閱單元手冊來決定采用哪種模型。 一些模型需要說明狀態(tài)方程來完成材料的定義。 對每種材料模型，并非所有的常數和選項都需要輸入。例如帶有Cowper-Symonds常數的應變率相關塑性材料的常數設為零，就可以用作率無關模型。這可以用作處理允許的失效應變 定義材料性質時單位要一致。不正確的單位不僅影響材料響應，也會影響接觸剛度。單位的錯誤甚至可能導致模型無法求解。 不要低估精確材料數據的重要性。多花些精力以獲得

38、精確的數據。,Inventory #001630 3-51,材料的定義T. 材料定義練習,本練習討論的問題是: 練習3-1. 彈簧質量阻尼系統(tǒng)響應模擬,接觸面,第 3-2章,Inventory #001630 3-53,接觸面本章目標,本章是關于接觸面的內容. 介紹了不同的算法及推薦使用的算法。 主題: 接觸面概述 單面接觸算法 點對面接觸算法 面對面接觸算法 一般接觸類 自動接觸類 剛性接觸類 固連接觸類 固連失效接觸類,Inventory #001630 3-54,接觸面 本章目標,主題 (續(xù)): 侵蝕接觸類 邊接觸類 拉延筋接觸類 成形接觸類 2-D 接觸類 定義基本接觸 接觸的列表和顯

39、示 接觸的刪除/撤消/激活 高級接觸控制 一般接觸指導 接觸面的練習,Inventory #001630 3-55,接觸表面A. 接觸表面概述,在ANSYS/LS-DYNA中，定義接觸有很多方法. 不同之處包括接觸面如何描述，接觸罰函數如何表達, 以及不同算法間存在的優(yōu)缺點。 對一些接觸模型， 接觸面被用來定義接觸體的表面. 這與隱式ANSYS 中的新的面對面算法是類似的, 只是用戶不必定義這些接觸面本身， ANSYS/LS-DYNA 會通過指定的節(jié)點組元自動生成接觸面。 另外一些接觸模型允許模型的任何表面與其他表面接觸， 包括它本身。 這種完全任意接觸實際上是最容易定義的, 而且在預先不知接

40、觸表面（如整車碰撞模擬）時是非常有用的。,Inventory #001630 3-56,接觸表面. 接觸表面概述,一般來說，當一個接觸（從）節(jié)點或接觸面穿透目標（主）面時, 恢復力（罰力）會迫使之返回邊界。接觸罰剛度由LS-DYNA程序基于接觸體的楊氏模量自動計算而得。 這就是在定義剛體（材料）時，必須定義真實的楊氏模量的重要原因。 ANSYS/LS-DYNA 可以模擬很大范圍的接觸狀態(tài): 表面拋光 通過定義帶有剪切失效應力的速度相關的摩擦來實現。 侵蝕接觸 當表面單元失效時，允許接觸表面延伸到內部單元。 邊緣接觸 允許一個殼單元的邊檢測另一個殼的邊不同于面面接觸的一種特性。,Inventor

41、y #001630 3-57,接觸表面. 接觸表面概述,在ANSYS/LS-DYNA中定義接觸時, 只需要簡單地指出接觸表面（不總是必需的）、接觸類型以及與給定接觸類型相關的任何特定參數。 由于許多不同的接觸類型可以使用，因此確定哪一種接觸類型能最準確的描述所建模型常常是非常困難的。理解ANSYS/LS-DYNA所提供的不同接觸算法和接觸類型對正確選擇給定模型的接觸面是非常重要的。 接觸算法是程序處理接觸面的方法。有三種不同的算法： 單面接觸 點對面的接觸 面對面的接觸,Inventory #001630 3-58,接觸表面 接觸表面概述,接觸類型是指具有某些特定的相似屬性的一系列接觸類型 。

42、這里有十種不同的接觸類: 一般接觸 自動接觸 剛性接觸 固連接觸 固連失效接觸 侵蝕接觸 邊接觸 拉延筋接觸 成形接觸 二維接觸 ANSYS/LS-DYNA 支持 24 種此類接觸算法和接觸類型的組合。,Inventory #001630 3-59,每種接觸算法和接觸類型都將詳細介紹，以幫助我們選擇能夠精確體現所模擬物理現象的最合理的接觸模型。,接觸表面 接觸表面概述,Inventory #001630 3-60,接觸表面B. 單面接觸算法,當一個體的外表面接觸其自身或其他體的外表面時，可用單面接觸算法建立接觸。 單面接觸是最常見的接觸類型 這是由于ANSYS/LS-DYNA 程序自動搜索模型

43、的外部表面以確定是否發(fā)生穿透。,由于包括了所有的外部表面, 因此不需要定義接觸和目標表面。 單面接觸對于處理接觸區(qū)域不能提前預知的自接觸或大變形問題是非常有效的。,Inventory #001630 3-61,接觸表面. 單面接觸算法,ANSYS/LS-DYNA中的單面接觸算法處理有限的接觸表面時只會引起CPU時間很少量的增加。 大多數沖擊和碰撞的問題需要定義單面接觸，因為有的接觸表面是不能預知的。 當接觸單元的接觸穿透超過單元厚度的40%，單面接觸算法將被自動解除。 這對以下狀態(tài)存在潛在的問題: 過薄的部件 具有低剛度值的柔性材料 非常高速運動的物體之間的接觸,Inventory #0016

44、30 3-62,接觸表面. 單面接觸算法,這些狀況會導致接觸節(jié)點超出40%的深度條件 。接觸算法將假設表面不再接觸，而且將會發(fā)生材料滲透，最終接觸節(jié)點殘留在目標表面后面。 單面接觸算法不在ASCII rcforc的文檔中記錄總的接觸力 。如果想得到接觸力，則應該采用點對面或面對面算法。 單面接觸算法包括以下接觸模型: 單面 (SS)， 自動單面 (ASSC)，自動一般 (AG)， 侵蝕單面 (ESS)，單邊 (SE)，和二維自動單面 (ASS2D) 。,Inventory #001630 3-63,當接觸節(jié)點穿透目標表面時，采用點對面接觸算法建立接觸。因其不對稱性，此法是最快捷的算法， 此算法

45、只處理沖擊目標表面的接觸節(jié)點。 對于點對面接觸算法, 必須定義接觸和目標表面的節(jié)點的組元或part （part集）號，這類似于ANSYS 隱式方法。 點對面接觸算法對于接觸區(qū)域相對較小而且接觸區(qū)域已提前預知的情況非常有效。并對節(jié)點與剛體的接觸也非常有效。,接觸表面C. 點對面接觸算法,Inventory #001630 3-64,以下是用于點對面接觸的指南 :,TARGET SURFACE,CONTACT NODES,平面或凹面應作為目標面而凸面應作為接觸面 較粗網格應為目標面 而較細網格應為接觸面 3. 對拉延筋接觸，拉延筋總是節(jié)點接觸表面而板料則是目標面。,接觸表面 .點對面接觸算法,點對

46、面接觸算法在ASCII rcforc的文檔中記錄接觸合力 。 點對面接觸算法包括以下接觸模型: NTS, ANTS, RNTR, TDNS, TNTS, ENTS, DRAWBEAD, FNTS,Inventory #001630 3-65,當一個體的表面穿透另一個體的表面時，采用面對面接觸算法建立接觸。 面對面接觸是完全對稱的，因此接觸面與目標面的選擇是任意的。 對面對面接觸，需要定義接觸面&目標面節(jié)點組元或part （或part集）號。節(jié)點可以屬于多個接觸表面。 面對面接觸是一種普遍的算法，常應用到具有大的接觸區(qū)域且接觸表面已知的情況。,接觸表面D. 面對面接觸算法,Inventory #

47、001630 3-66,面對面接觸算法在ASCII rcforc的文檔中記錄接觸合力 。 面對面接觸算法包括以下接觸模型: STS, OSTS, ASTS, ROTR, TDSS, TSES, TSTS, ESTS, FSTS, FOSS,面對面接觸對產生大量相對滑移的接觸（如一個木塊在平面上的滑移）非常有效。,接觸表面. 面對面接觸算法,Inventory #001630 3-67,接觸表面E. 一般接觸類,一般接觸 只考慮殼體單元一側接觸。對實體單元（brick） ， ANSYS/LS-DYNA 總是用外法線創(chuàng)建目標面 ，因此所期望的接觸總能被識別。 恢復力（即抵抗節(jié)點穿透的懲罰力） 將隨

48、著接觸節(jié)點穿透目標表面而持續(xù)增加。節(jié)點經過一定殼單元厚度后，此力不會被消除。,一般接觸類型包括: SS NTS STS OSTS,Inventory #001630 3-68,接觸表面F. 自動接觸類,自動接觸考慮殼體單元兩側的接觸。殼體接觸表面的方向是自動確定的。 恢復力將隨著接觸節(jié)點穿透目標表面而持續(xù)增加，但只能增加到一點， 這是由于殼單元的兩個面都需要檢測。,自動接觸模型包括: ASSC AG (includes SE) ASS2D ANTS ASTS,Inventory #001630 3-69,膝蓋與擋板的接觸,接觸表面G. 剛性接觸類,剛性接觸 RNTR 和ROTR 類似于 NTS

49、 和 OSTS 接觸，但它不是用線性剛度來阻止穿透，而是定義力-變形曲線來實現。這種接觸通常用于多剛體動力學， 它們允許在不必模擬變形單元 的情況下，吸收能量。 剛體對可變形體的接觸必須用一般、自動或侵蝕接觸來定義。,Inventory #001630 3-70,接觸表面H. 固連接觸類,固連接觸用于連接兩個不相似的網格，在很大程度上。這與ANSYS隱式中所用的綁定接觸幾乎是一樣的。 接觸節(jié)點粘接在目標表面上。兩個面必須是初始共面的。目標面可以變形，迫使接觸節(jié)點隨之變形。 固連接觸只影響平移 DOFs (UX, UY, UZ) 固連接觸模型包括： TDNS, TDSS, and TSES 接觸

50、。,Inventory #001630 3-71,接觸表面I. 固連斷開接觸,固連斷開接觸 實質是失效的 固連接觸 。常被用來模擬點焊或螺栓連接 。 一旦符合失效方程, 接觸節(jié)點就能夠從目標面上滑移或分離出來。 TNTS 失效方程基于法向力或剪切力, 而TSTS失效方程基于法向或切向應力。,fs,Inventory #001630 3-72,接觸表面J. 侵蝕接觸類型,這些接觸模型 (ESS, ENTS, ESTS) 應用于外表面上的實體單元發(fā)生失效的情況 (例如, 由于超過允許應變值)，從而需要內部實體單元承擔抵抗穿透的作用。,Inventory #001630 3-73,接觸表面K. 邊接

51、觸類型,邊接觸用于殼單元的面法線與碰撞方向正交的情況。 殼邊接觸（SE）自動選定所有的邊線。 SE 接觸也包含在自動一般 (AG) 接觸中。,Inventory #001630 3-74,接觸平面L. 拉延筋接觸類型,拉延筋接觸一般用于對坯料有特殊要求的金屬成形過程 。例如，沖壓過程中經常由于坯料不能貼緊模具而引起了坯料的褶皺。 拉延筋接觸通過包含確保坯料在整個拉伸過程中與模具始終接觸的彎曲和摩擦限制力來模擬實際的拉伸過程。,Inventory #001630 3-75,接觸表面M. 成形接觸類型,成形接觸選項用于金屬成形過程中點對面 (FNTS)成形, 面對面 (FSTS)成形以及單向面對面

52、 (FOSS)成形。 對于這些接觸類型， 沖頭和模具一般定義為目標面 而工件則定義為接觸面。 這些接觸類型網格無需連通, 因此減小了接觸定義的復雜性。 沖件網格的方向必須一致。 成形接觸選項基于自動接觸類型，因此功能十分強大。,Inventory #001630 3-76,接觸表面N. 2-D 接觸類,由 PLANE162 單元組成的模型, 只能定義為二維接觸。由 ANSYS/LS-DYNA支持的2D 接觸選項是ASS2D.,默認的接觸表面是整個模型 (即不采用目標面)。 接觸表面 可以限定為一個part集 (EDASMP). 2D 接觸只支持靜摩擦系數 (FS)。,Inventory #00

53、1630 3-77,接觸表面O. 定義基本接觸,ANSYS/LS-DYNA 中定義接觸的三個基本步驟是: 選擇接觸模型 能最好地模擬你的物理系統(tǒng) 識別接觸實體 (單面接觸不需要) 定義接觸 及任何必要的其它輸入參數 選擇接觸模型 : 選則最適合于給定條件的接觸模型 ， 參考 ANSYS/LS-DYNA Users Guide并回顧本章的內容。 對大多數分析，推薦使用自動一般 (AG), 點對面 (NTS), 和面對面 (STS) 接觸，它們都非常強大，并適合于大多數應用。,Inventory #001630 3-78,接觸平面. 定義基本接觸,識別接觸實體 : 除了單面接觸模型外 （SS, A

54、SSC, AG, ESS, SE, and ASS2D），所有ANSYS/LS-DYNA 接觸模型都需要定義接觸面和目標面 。 雖然單面接觸模型不必定義, 但通過定義接觸面它能夠限定部分模型的接觸 。對于缺省值， 此算法考慮了整個模型的可能接觸 。 接觸面和目標面能通過節(jié)點組元（CM command）或 part號/part 集 （EDPART and EDASMP commands）來定義。 如第1-3章討論到的，如果在改變模型后重建part ，則part列表會改變，因此有必要在模型修改后經常更新part列表。否則，用以前的part號來定義接觸將得到錯誤的分析結果。 最好的做法是在執(zhí)行任何A

55、NSYS/LS-DYNA的特定命令前完成所有的ANSYS幾何模型的建立 。,Inventory #001630 3-79,接觸表面. 定義基本接觸,如果利用part號 (或part集) 識別接觸面與目標面 ，可以用box ID 對接觸面進一步限制。 Box ID 由 EDBOX command定義: Preprocessor LS-DYNA Options Contact Define Box,這些方形體積不能用于 節(jié)點組元。 限制接觸處理的量在大型模型中更重要一些 ，但在包括整個模型可能導致接觸行為不合適的小模型中也是很有用的。,Inventory #001630 3-80,接觸表面. 定義

56、基本接觸,定義接觸 : EDCGEN 命令可在接觸面和目標面之間自動生成接觸 : Preprocessor LS-DYNA Options Contact Define Contact 先選擇需要的接觸算法和相應的模型:,Inventory #001630 3-81,接觸表面. 定義基本接觸,接下來規(guī)定靜態(tài)和動態(tài)摩擦系數 以及指數衰減系數，粘性摩擦和粘性阻尼。 ANSYS/LS-DYNA中，摩擦系數可以與速度相關并且可以使用一個限制值來定義總的摩擦力。,缺省值定義模型為無摩擦接觸 。,Inventory #001630 3-82,接觸表面. 定義基本接觸,摩擦系數， mc, 的定義是:,DC

57、或v = 0類似于 mc = ms 最大摩擦力 Flim可以由粘性摩擦系數VC和接觸段的面積Asegment來定義: Flim = VC Asegment 極限摩擦系數常用于接觸引起塑性流動的情況。 推薦其值為 VC = 0.577 so, 這里 so 表示接觸材料的屈服應力.,mc = md + (ms - md )e -(DC) (v),where,ms = 靜摩擦系數 md = 動摩擦系數 DC = 指數衰減系數 v = 接觸面間的相對速度,Inventory #001630 3-83,接觸表面. 定義基本接觸,為避免接觸中產生不期望的振動，可利用粘性阻尼系數VDC施加垂直于接觸面的接觸

58、阻尼 。 輸入值 VDC，需要一個阻尼值作為臨界百分比: x = (VDC/100.0) xcrit = (VDC/100.0) (2m w) 這里 m = 質量 w = 接觸段的自然頻率 在金屬成形分析中，粘性阻尼常用于抑制法向振動 。,Inventory #001630 3-84,接觸表面. 定義基本接觸,定義摩擦數據后要定義接觸起始和終止時間: 利于多級成形過程中設定后一階段使用的工具到相應位置而不會與坯料互相影響。 默認值在整個運算時間激活接觸。 如果運用已定義 的Part 號或 Part 集，給定 Box ID 用來進一步限制接觸面或目標面的定義。,由于當前 UIDL的局限性，只有在

59、整個EDCGEN命令給出后， GUI 才能識別 Box IDs 是否是有效。 因此只有當Box IDs (用EDBOX命令) 、Part IDs 或 集合已經被定義才可以設定Box IDs。,Inventory #001630 3-85,接觸表面. 定義基本接觸,在第一個 EDCGEN 對話框點擊 OK后, 又彈出一個對話框以區(qū)分接觸面和目標面。 對于單面接觸模型, 第二個框一般不出現，這是因為模型不需要區(qū)分接觸面和目標面 。 對單面接觸模型，EDCGEN 命令需直接鍵入 (即批處理)來獲得進一步限制接觸面的特性。,有些接觸模型需要輸入附加輸入參數。對這些模型，相應的將出現特定的模型對話框 ,Inventory #001630 3-86,接觸表面. 定義基本接觸,需要輸入附加數據的接觸系列是 (EDCGEN fields V1-V4):,接觸的模型指定輸入進一步定義了接觸。 在左邊介紹