AUTODYN Chapter-9 材料模型-課件

9-1ANSYS,

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#002665第九章AUTODYN

材料模型ANSYS

AUTODYNMaterial

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Manual顯式動力學(xué)(ANSYS)中的材料模型Equation

of

StateStrength

ModelFailure

ModelANSYS,

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#0026659-2AUTODYNMaterial

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ManualAUTODYN

材料模型FailureAUTODYN

材料模型包含三個部分–狀態(tài)方程(EOS)–強度模型和顯式動力學(xué)(ANSYS)中的模型一樣–

失效模型

EOS

StrengthANSYS,

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#0026659-3Material

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ManualAUTODYN附加材料模型ANSYS,

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#0026659-4Ideal

Gas

狀態(tài)方程Two

Phase

狀態(tài)方程SESAME

表格累積損傷模型Beam

強化模型破片分析剛體材料正交各向異性材料正交各向異性實體復(fù)合殼高能炸藥(HE)爆炸爆轟產(chǎn)物(氣體)燃燒效應(yīng)點火和增長慢燃藥用戶自定義材料Material

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Manual帶能量項的狀態(tài)方程EOSγ

=理想氣體參數(shù)ρ

=密度,e

=比內(nèi)能絕熱常數(shù),C–輸入一個不等于0的值計算絕熱反應(yīng)P/ργ

=

C壓力換算–減去大氣壓力Ideal

Gas

狀態(tài)方程ANSYS,

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#0026659-5Material

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Manual用來表達過熱流體材料的膨脹和氣化行為例如.反應(yīng)堆冷卻和可壓縮狀態(tài)方程一起使用單相區(qū)域使用Gruneisen狀態(tài)方程飽和曲線作為參考曲線材料飽和曲線可以再用戶子程序EXTAB中定義AUTODYN提供水的飽和曲線Two

Phase狀態(tài)方程流體區(qū)域兩相區(qū)域流體和氣體比容氣體區(qū)域壓力ANSYS,

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#0026659-6Material

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ManualSesame

庫

Sesame庫作為存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)的表格，并不是狀態(tài)方程包含200多種材料，有金屬、礦物材料,聚合物和混合物應(yīng)用于一些特殊材料，密度和內(nèi)能均有很大的變化范圍，以滿足特殊的變化需要謹慎使用Sesame

庫屬于美國政府控制出口的產(chǎn)品不包含在標準的發(fā)行包里如果允許的話可以從ANSYS

獲得可以從LANL直接獲得ANSYS,

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#0026659-7Material

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Manual考慮積累效應(yīng)，強度逐步降低?早期模型主要用于脆性材料的先前的Johnson-Holmquist模型使用用戶子程序建立模型多個用戶子程序的有效結(jié)合累積損傷失效模型ANSYS,

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#0026659-8Material

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Manual模型的強度數(shù)據(jù)通過10點分段線性曲線定義軸向力-軸向應(yīng)變 軸11力矩-曲率 軸

11力矩-曲率 軸

22力矩-曲率 軸

33試驗得到的載荷-位移曲線直接添加到模型里面，以便取得理想的結(jié)構(gòu)響應(yīng)定義單元軸向、扭矩和彎矩響應(yīng)的四條曲線數(shù)據(jù)不存在內(nèi)在聯(lián)系Beam強化模型ANSYS,

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#0026659-9Material

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ManualCourtesy

of

AWE

(A),

UKBeam強化模型ANSYS,

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#0026659-10例子:比例為1/3

的拉覆試驗試驗失效載荷:86kN

4KN模擬失效載荷:83kN

5KNMaterial

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ManualCourtesy

Sandia

National

Lab.查看和列表顯示破片的形成特性例子:子彈出膛后爆炸破片分析ANSYS,

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#0026659-11Material

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Manual用來定義剛性體顯式動力學(xué)(ANSYS)中定義剛性體的不同方式在標準材料輸入窗口選擇“EOS

Rigid”用剛性材料填充任意非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不適用于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剛性材料單元就是一個帶有質(zhì)量/慣量特性的單個剛體質(zhì)量/慣量特性定義方式材料密度和單元體積材料中有明確定義使用一個剛體材料定義多個剛體剛性材料ANSYS,

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#0026659-12Material

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Manual可變性彈丸剛性彈丸例子:3D斜侵徹剛性材料ANSYS,

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#0026659-13Material

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Manual例子:金屬板成型剛性沖頭和模具非結(jié)構(gòu)殼(主四邊形)工件沖頭工件模具剛性材料ANSYS,

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#0026659-14Material

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ManualAUTODYN

可以為模型定義大載荷譜條件下的各向異性材料模型正交各向異性線彈性響應(yīng)(結(jié)構(gòu)加載)正交各向異性彈性剛度矩陣線性體積響應(yīng)正交各向異性線彈性響應(yīng)與非線性狀態(tài)方程的耦合(瞬態(tài)沖擊加載)改進的正交各向異性彈性剛度矩陣非線性體積響應(yīng)正交各向異性塑性廣義二次屈服面正交各向異性失效損傷失效脆性失效正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-15Material

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Manual正交各向異性狀態(tài)方程正交各向異性屈服正交各向異性軟化聯(lián)合使用正交各向異性狀態(tài)方程,屈服和軟化模型得到完整的響應(yīng)正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-16Material

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Manual123等價的正交各向異性材料-只顯示單個體壓層復(fù)合材料使用固體單元描述正交各向異性材料或正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-17Material

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ManualS

=

C-1

=C=正交各向異性線彈性響應(yīng)–線性狀態(tài)方程近似求出體積響應(yīng)正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-18Material

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Manual正交各向異性線彈性響應(yīng)與非線性狀態(tài)方程的耦合PolynomialShockPorous正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-19Material

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Manual屈服面形狀通過系數(shù)矩陣定義,aij硬化參數(shù),k廣義形式簡化為：Hills

正交各向異性屈服函數(shù)Von-mises屈服函數(shù)正交各向異性塑性–使用廣義二次屈服面正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-20Material

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Manual正交各向異性失效:脆性Failure三個正交各向異性脆性失效準則材料應(yīng)力材料應(yīng)變材料應(yīng)力/應(yīng)變可以在每個主材料方向指定拉應(yīng)力/應(yīng)變和剪切應(yīng)力/應(yīng)變正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-21Material

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Manual正交各向異性失效:損傷模型–模型的失效初始準則(面)正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-22Material

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Manual正交各向異性失效:損傷模型–失效開始后,程序會計算損傷張量用來降低屈服面強度正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-23Material

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ManualKEVLAR?-epoxy材料的靜態(tài)拉伸實驗正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-24Material

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Manual例子:破片碰撞GFRP靶正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-25Material

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Manual層狀復(fù)合殼–主要用于結(jié)構(gòu)載荷（非沖擊載荷）作用下的薄殼結(jié)構(gòu)層狀復(fù)合殼通過“Fill”功能建模選擇Composite

按鈕每一層連同法線初始條件被應(yīng)用到網(wǎng)格層數(shù)可以使任意的，可以選擇和存儲每一層可以使各項同性和正交各向異性–對正交各向異性材料必須指定11

方向每一層有一個厚度每一層能獨立查看正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-26Material

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Manual層狀復(fù)合殼材料模型與標準殼單元協(xié)調(diào)的材料模型可以用于復(fù)合殼單元正交各向異性材料需定義材料方向Tsai-Wu,Hoffman

和Tsai-Hill

失效準則包含壓縮和拉伸失效僅體積失效材料方向11

和22

位于殼平面33

為厚度方向材料軸選項I-J-K(推薦)默認11:指標k增加的方向

為11方向繞單元中心的轉(zhuǎn)角22

垂直于11在單元平面X-Y-Z正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-27Material

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Manual例子:鳥撞機翼(機翼使用復(fù)合殼)正交各向異性材料ANSYS,

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#0026659-28Material

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Manual爆炸過程時間起爆初始起爆點/平面壓縮起爆不推薦不完善的物理過程用點火和增長（ignition

and

growth）模型代替爆炸產(chǎn)物的膨脹(氣體)JWL

狀態(tài)方程(Jones,

Wilkins,Lee)高能炸藥ANSYS,

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#0026659-29Material

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ManualInitiation

NodeCellDetonation

FrontsT2T1S1S2T1

= S1/

DT2

= S2/

D時間起爆爆炸發(fā)生在點或平面(使用者定義)爆轟波波前以爆速D傳播T1

開始燃燒T2結(jié)束燃燒化學(xué)能從T1

到T2線性釋放燃燒分數(shù)隨時間從0.0

增加到1.0單元變量alpha–=

-T1,

T<T1=燃燒分數(shù),T>T1高能炸藥–爆炸過程ANSYS,

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#0026659-30Material

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Manual時間起爆直接起爆起爆時間通過起爆點到單元中心的直線距離來計算間接起爆起爆路徑繞過惰性材料的最短有效路徑?jīng)Q定直接起爆ANSYS,

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#0026659-31不能用直接起爆高能炸藥–爆炸過程Material

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Manual時間起爆間接多點起爆起爆點2是準確計算shadow區(qū)域起爆時間的關(guān)鍵ANSYS,

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#0026659-32高能炸藥–爆炸過程Material

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Manual直接起爆間接起爆，1個起爆點間接起爆，2個起爆點間接起爆，3個起爆點高能炸藥–起爆路徑ANSYS,

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#0026659-33Material

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ManualJWL狀態(tài)方程用來描述炸藥爆炸產(chǎn)物(氣體)的高速膨脹JWL

狀態(tài)方程是一個經(jīng)驗公式，所需的數(shù)據(jù)均來源于數(shù)值和物理實驗提供了很多常用炸藥的數(shù)據(jù)膨脹氣體的壓力通過下式計算：–

A,B,R1,R2,

為經(jīng)驗常數(shù)，

=密度,

0

=參考密度,

=

/

0,e=比內(nèi)能log

p高能炸藥–爆炸產(chǎn)物的膨脹log

vANSYS,

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#0026659-34Material

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ManualJWL

狀態(tài)方程輸入?yún)?shù)包括狀態(tài)方程參數(shù)爆速單位體積化學(xué)能

AUTODYN標準材料庫中包含大量的炸藥數(shù)據(jù)壓縮比和燃燒前體積模量定義壓縮起爆不推薦，默認值為0自動轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐霘怏w考慮精度，推薦使用高能炸藥–爆炸產(chǎn)物的膨脹ANSYS,

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#0026659-35Material

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ManualwhereQ=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–Miller

Extension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)顆粒燃燒后會釋放出更多的能量Miller

extension

模型表達了這種能量釋放ANSYS,

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#0026659-36高能炸藥–爆炸產(chǎn)物的膨脹Material

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ManualJWL

狀態(tài)方程-能量釋放范圍的擴大溫壓彈可以比傳統(tǒng)的炸藥釋放更多的能量典型的為鋁基炸藥起爆后會消耗空氣中的氧氣

JWL

狀態(tài)方程中附加的能量選項這個隨時間變化的能量釋放能量在指定的時間間隔內(nèi)積聚高能炸藥–爆炸產(chǎn)物的膨脹ANSYS,

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#0026659-37Material

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ManualJWL

狀態(tài)方程-能量釋放范圍的擴大10kgTNT球形裝藥，在0.12

和0.55

msec之間附加能量2.15MJ/kg得到的結(jié)果更長的壓力持續(xù)時間和更大的壓力脈沖ANSYS,

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#0026659-38高能炸藥–爆炸產(chǎn)物的膨脹Material

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ManualLee-Tarver

Ignition

&

GrowthModel用于高能炸藥(HE)初始狀態(tài)研究假設(shè)點火在局部過熱點，并從這些點向外擴張由三個部分組成:惰性炸藥狀態(tài)方程(Shock或JWL)JWL-反應(yīng)產(chǎn)物的狀態(tài)方程反應(yīng)率方程描述燃燒的點火、生長和完成高能炸藥ANSYS,

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#0026659-39Material

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Manual0.5

km/s0.7

km/s1.0

km/sLee-Tarver

Ignition

&

Growth

Model–例子:沖擊起爆ANSYS,

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#0026659-40高能炸藥Material

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ManualPowder

Burning

模型模擬主要物理特征為爆燃的材料的燃燒(縱火器、彈藥)兩相模型單元內(nèi)氣體和固體同時存在固體相:Linear/Compaction

狀態(tài)方程氣體相:JWL/Exponential燃速,c,和氣體壓力,Pg相關(guān)燃燒率和氣體壓力,Pg

以及燃燒分數(shù),F有關(guān)–公式:A

Atwood,EK

Friis

and

JF

Moxnes,一種帶能量粉末材料燃燒的數(shù)學(xué)模型,34thInternationalAnnual

Conference

of

ICT,June

24-27,2003,Karlsruhe

Federal

Republic

of

Germany慢燃炸藥GasSolid

ParticlesNumerical

Cell

ofVolume

VANSYS,

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#0026659-41Material

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ManualPowderBurn模型–例子:槍膛內(nèi)發(fā)射帶彈帶的彈丸ANSYS,

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#0026659-42慢燃炸藥Material

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ManualAUTODYN自帶的材料數(shù)據(jù)的集合通過‘Load’，進入材料庫材料可以通過名稱,狀態(tài)方程,強度模型和失效模型分類所有的材料均有EOS,大多數(shù)有強度模型，部分有失效模型可以增加和修改材料庫中的數(shù)據(jù)，并且可以自己建立材料庫模型選擇以后，數(shù)據(jù)會自動使用當前的單位制材料庫ANSYS,

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#0026659-4