AUTODYN計(jì)算分析基礎(chǔ)課件

AUTODYN計(jì)算分析基礎(chǔ)特點(diǎn)商用：終點(diǎn)效應(yīng)，LS-DYNA、AUTODYN和DYTRAN。AUTODYN更適合：應(yīng)用領(lǐng)域：軍工，DYNA民用多，汽車(接觸算法)；獨(dú)特的映射技術(shù):可實(shí)現(xiàn)不同求解器間的轉(zhuǎn)換，如Lagrange和Euler之間的相互映射；材料庫(kù)：軍工專用的材料庫(kù)，約300種，結(jié)構(gòu)材料都考慮了應(yīng)變率影響；狀態(tài)方程：14種，流固耦合。爆轟，炸藥JWL，沖擊起爆Lee-Tarver、Slow-Burn（引信點(diǎn)火或爆燃）獨(dú)有，多種兩相EOS，描述高速?zèng)_擊氣化現(xiàn)象;

特點(diǎn)（續(xù)）特有的隨機(jī)失效模式：材料整體性能的非均性，材料破壞時(shí)別于其幾何上的對(duì)稱性特點(diǎn)而表現(xiàn)為一種隨機(jī)行為。自然破片戰(zhàn)斗部；

Euler技術(shù)：三種Euler，高精度(Euler-FCT,Euler-Godunov)，爆炸驅(qū)動(dòng)、波傳播、射流穿甲具優(yōu)勢(shì)，杵體長(zhǎng)度、速度分布與實(shí)測(cè)吻合較好；無(wú)網(wǎng)格技術(shù)：SPH，高速?zèng)_擊碰撞，幾何空間來(lái)填充SPH粒子，方便、穩(wěn)定。前后處理及求解器集成性

一般問(wèn)題的分析步驟第一步設(shè)置求解類型(2D、3D)、單位制用單精度來(lái)滿足求解效率和內(nèi)存的需要：避免出現(xiàn)壓力低于10-6的單位制；避免出現(xiàn)單元質(zhì)量低于10-6的單位。缺省單位：長(zhǎng)度質(zhì)量時(shí)間速度力壓強(qiáng)密度能量mmmgmsm/smNkPag/cm3mJ一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料第一種方式：材料庫(kù)選擇材料模型

狀態(tài)方程(體積改變)Singlephase、Multi-phase、Compaction、Explosive強(qiáng)度模型（形狀改變）屈服應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等之間的關(guān)系Hydrodynamic、elastic、Perfectlyplastic、Strainhardening、Pressurehardening、Strain-ratehardening、Thermalsoftening、Orthotropic失效模型（材料失效標(biāo)準(zhǔn)）PlasticStrain、TensilePressure、PrincipalStress/Strain、OrthotropicStress/Strain、Damage材料很大程度依賴于使用領(lǐng)域和可得到的材料數(shù)據(jù)原則：材料模型盡可能簡(jiǎn)單一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))Linear狀態(tài)方程：假設(shè)壓力與內(nèi)能無(wú)關(guān)，密度變化小，過(guò)程可逆(等熵)，常用于固體(4340STEEL)。K體積模量，μ壓縮比；材料數(shù)據(jù)少，但是大的壓縮情況不太精確。Polynomial狀態(tài)方程(water)拉伸：壓縮：SHOCKEOS:copper“狀態(tài)方程”基本假定:容變律與畸變律解耦；忽略體積粘性。

一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))一些帶孔的材料，變形過(guò)程中孔破裂導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的體積變形，粉末(用來(lái)加工成型用的金屬粉末)、混凝土、土壤要求EOS：既允許不可逆轉(zhuǎn)的氣孔破裂，也能計(jì)算初始的彈性體積變形和最后的材料狀態(tài)。使用三種狀態(tài)方程來(lái)描述：Porous、Compaction、P-Alpha一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))壓縮路徑通過(guò)密度和壓強(qiáng)的十個(gè)分段線性函數(shù)的值描述；彈性加載/卸載的斜度是初始聲速和完全壓實(shí)后聲速的線性插值。Porous狀態(tài)方程(泡沫等減震隔爆)壓強(qiáng)P初始密度

r彈性載荷塑性壓縮參考密度rref密度r彈性卸載/重新加載完全壓縮一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))是porous狀態(tài)方程的擴(kuò)展，允許更多的對(duì)彈性加載/卸載的斜度的控制；彈性聲速是密度的函數(shù)(優(yōu)于用線性插值)。Compaction狀態(tài)方程壓強(qiáng)P塑性壓縮彈性載荷完全壓縮彈性卸載/重新加載初始密度

r參考密度rref密度r一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))完全壓縮材料用Linear、Polynomial或者Shock狀態(tài)方程來(lái)定義；塑性壓縮路徑基于一個(gè)冪函數(shù)，用戶可以定義。P-alphaEOS(混凝土、陶瓷等人工脆性材料)完全壓縮Pa01apPorosity,a=rc/rPePc塑性壓縮彈性卸載/重新加載彈性載荷一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))方程形式：IdealGas狀態(tài)方程(空氣、爆炸產(chǎn)物后期)其中：

=理想氣體常數(shù)，=密度Pshift=初始?jí)簭?qiáng)，e=內(nèi)能說(shuō)明：Pshift用來(lái)定義小一個(gè)初始?jí)簭?qiáng)，避免出現(xiàn)數(shù)值計(jì)算問(wèn)題。一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))用來(lái)描述炸藥爆轟產(chǎn)物迅速膨脹(爆炸和膨脹階段)；JWL狀態(tài)方程是一經(jīng)驗(yàn)公式，數(shù)據(jù)來(lái)源于物理(圓筒)實(shí)驗(yàn)；狀態(tài)方程適用于大多數(shù)高能炸藥(含鋁除外)；爆轟產(chǎn)物的氣體壓強(qiáng)由下面公式給出：其中A、B,、R1、R2、w是經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出常數(shù)，=密度，=參考密度，h=r/r0

，e=內(nèi)能。自動(dòng)轉(zhuǎn)成理想氣體狀態(tài)方程JWL狀態(tài)方程（炸藥爆炸）

Q=附加的比能,a=能量釋放常數(shù), m=能量釋放指數(shù), n=壓力指數(shù)JWL狀態(tài)方程–MillerExtension非理想炸藥，比如包含有鋁(Al)或高錳酸銨(AP)，鋁(Al)或高錳酸銨(AP)顆粒燃燒后會(huì)釋放出更多的能量

Miller模型表達(dá)了這種能量釋放一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))點(diǎn)火和生長(zhǎng)模型用來(lái)描述炸藥的初始階段；假設(shè)：點(diǎn)火開始于局部過(guò)熱點(diǎn)，從這些點(diǎn)向外開始生長(zhǎng)；Lee-Tarver狀態(tài)方程有下面的三個(gè)基本部分組成：對(duì)于惰性炸藥的一個(gè)狀態(tài)方程(用Shock或JWL形式)；用JWL狀態(tài)方程描述反應(yīng)的爆炸產(chǎn)物；反應(yīng)率方程描述燃燒的點(diǎn)火、生長(zhǎng)和完成。Lee-Tarver狀態(tài)方程(沖擊起爆)Steel-HE-Steel靶；銅彈碰撞速度:2.5km/s3.0km/s

2.5km/s沒(méi)有沖擊引爆；3.0km/s時(shí)，沖擊引爆。一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))Lee-Tarver狀態(tài)方程

2.5km/s

3.0km/s一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))描述炸藥在不引爆情況下的慢燃(爆燃)過(guò)程：爆炸物質(zhì)以預(yù)定義的燃燒速度點(diǎn)火；起爆由時(shí)間決定。隨后的爆炸物質(zhì)以下定義的速率燃燒：F是材料的燃燒尺寸；G,c,h(P)是用戶輸入?yún)?shù)。線性或壓縮固體狀態(tài)方程JWL狀態(tài)方程用于爆炸產(chǎn)物用于拉格朗日和SPH求解器。SlowBurn狀態(tài)方程一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))用戶自定義狀態(tài)方程子程序EXEOS定義通過(guò)公共塊使用其它的變量提供子程序構(gòu)架用戶自定義狀態(tài)方程一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))NoneElasticVon-MisesViscoelasticJohnson-CookPiecewise-JCZerilli-ArmstrongSteinberg-Guinan材料強(qiáng)度類型Cowper-SymondsDrucker-PragerMO-GranularJohnson-HolmquistRHT-ConcreteBeam-PesistanceOrthotropicYieldCrushableFoam(Iso)UserStrength#1一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫度的材料，用于高速碰撞或爆炸引起的材料變形。這種材料屈服應(yīng)力為：Johnson-Cook模型其中，為有效塑性應(yīng)變；為有效塑性應(yīng)變；

A、B、C、n、m和為材料常數(shù)。

一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))包括壓強(qiáng)對(duì)屈服應(yīng)力和剪切模量的影響與應(yīng)變率沒(méi)有直接的關(guān)系–在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中應(yīng)變率非常高(大于105/秒)Steinberg-Guinan強(qiáng)度模型其中，為有效應(yīng)變率；T為溫度(K)；

為壓縮比。一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))常用于干土、沙子、巖石、混凝土和陶瓷等材料。壓強(qiáng)硬化10點(diǎn)分段屈服應(yīng)力-壓強(qiáng)曲線密度硬化10點(diǎn)分段屈服應(yīng)力-密度曲線剪切模量變量10點(diǎn)分段剪切模量-密度曲線MO-Granular強(qiáng)度模型一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))用于易碎的材料，比如玻璃、陶瓷等；易碎的材料屈服于大應(yīng)變，高應(yīng)變率和高壓強(qiáng)；組合塑性損傷模型；材料屈服是由于微裂紋生長(zhǎng)代替了斷層運(yùn)動(dòng)(金屬塑性)；由于有效塑性應(yīng)變，損傷會(huì)累積。Johnson-Holmquist模型一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))大多數(shù)材料在失效之前，僅能抵擋較小的拉伸應(yīng)力和(或)應(yīng)變；有許多方式來(lái)判定是否失效：?jiǎn)卧氖袨榧瓤梢允撬矔r(shí)的，也可是累積造成的。失效模型一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))當(dāng)壓力低于靜水拉伸壓力臨界時(shí)，發(fā)生體積失效。這可以用來(lái)描述材料的斷裂或氣穴現(xiàn)象。壓強(qiáng)靜水拉伸壓強(qiáng)臨界時(shí)間Hydro失效(Bulk)一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))當(dāng)有效塑性應(yīng)變超過(guò)輸入的臨界應(yīng)變值時(shí)，發(fā)生體積失效，這可以用來(lái)描述易延展性材料失效。應(yīng)變失效(Bulk)應(yīng)力EPS臨界應(yīng)變一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))失效標(biāo)準(zhǔn)：影響因素：Johnson-Cook破壞/損傷模型溫度項(xiàng)壓強(qiáng)項(xiàng)應(yīng)變率項(xiàng)當(dāng)D=1.0材料開始失效；用于OFHC銅、裝甲鋼、4340號(hào)鋼等。一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))用于對(duì)稱載荷和對(duì)稱幾何情況；材料的細(xì)微缺陷地方–就是失效和斷裂初始的地方；采用材料應(yīng)力/應(yīng)變隨機(jī)失效的方法：每一個(gè)單元有不同的失效應(yīng)力/應(yīng)變；模擬材料本身的缺陷。Mott分布表示材料的失效應(yīng)力/應(yīng)變的不一致性?？赡M破片戰(zhàn)斗部自然破片的質(zhì)量和尺寸空間分布情況。隨機(jī)失效一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))Mott應(yīng)變失效分布：P是失效概率C和γ是常數(shù)隨機(jī)失效

由用戶定義C通過(guò)計(jì)算得到分布類型：Fixed–每一時(shí)刻相同Random-任意可用于許多材料的失效模型失效概率失效應(yīng)變一般問(wèn)題的分析步驟－第二步定義材料(續(xù))破片分析選材總結(jié)－狀態(tài)方程總結(jié)活性各向同性固體/氣體

(高能炸藥、燃燒粉末、反應(yīng)氣體等等……)爆炸以相同速度爆炸：JWL狀態(tài)方程爆轟的開始和傳播與當(dāng)?shù)夭牧锨闆r有關(guān)：Lee-Tarver狀態(tài)方程爆燃過(guò)程多孔：SlowBurn+Compaction固體狀態(tài)方程、用戶定義狀態(tài)方程無(wú)孔：SlowBurn+Linear固體狀態(tài)方程，用戶定義狀態(tài)方程選材總結(jié)－狀態(tài)方程總結(jié)惰性各向異性固體(復(fù)合材料、包金箔材料等)；小壓縮(<1%)：OrthotropicwithLinear狀態(tài)方程大壓縮(>1%)：OrthotropicwithPolynomial或Shock狀態(tài)方程其它用戶自定義。選材總結(jié)－強(qiáng)度模型總結(jié)惰性氣體：None惰性各向同性固體

(金屬、聚合物、混凝土、地質(zhì)材料等)應(yīng)變率依賴彈性：Viscoelastic應(yīng)變率不依賴彈性(無(wú)塑性)：Elastic彈塑性材料沒(méi)有硬化：

vonMises應(yīng)變硬化、應(yīng)變率敏感、熔化：Johnson-Cook

Steinberg-Guinan、Zerilli-Armstrong、Piecewise-JC彈性易碎材料僅僅壓強(qiáng)硬化：Druker-Prager、Mo-Granular無(wú)孔：Johnson-Holmquist有孔：RHT-Concrete選材總結(jié)－失效模型總結(jié)惰性氣體：None；惰性各向同性固體

(金屬、聚合物、混凝土、地質(zhì)材料)；Hydrodynamic：Hydro(Pmin)；彈塑性材料；易碎材料/碎片：主應(yīng)力(+碰撞軟化)易延展材料：有效塑性應(yīng)變、主應(yīng)變、主應(yīng)力彈性易碎材料；拉伸斷裂失效：主應(yīng)力/應(yīng)變(+碰撞軟化)

剪切損傷：JH2、RHT、累積損傷模型一般問(wèn)題分析步驟常用于對(duì)初始速度的設(shè)置第三步定義初始條件一般問(wèn)題分析步驟不同的求解器有相適應(yīng)的邊界條件