1、第九章 AUTODYN 材料模型,ANSYS AUTODYN,显式动力学 (ANSYS)中的材料模型,AUTODYN 材料模型,AUTODYN 材料模型包含三个部分状态方程 (EOS)强度模型失效模型,EOS Strength Failure,和显式动力学(ANSYS)中的模型一样,AUTODYN附加材料模型,Ideal Gas 状态方程Two Phase 状态方程SESAME 表格累积损伤模型Beam 强化模型破片分析刚体材料,正交各向异性材料正交各向异性实体复合壳高能炸药 (HE)爆炸 爆轰产物(气体)燃烧效应点火和增长慢燃药用户自定义材料,带能量项的 状态方程EOSg = 理想气体参数r
2、 = 密度, e = 比内能绝热常数, C输入一个不等于0的值计算绝热反应P/g = C压力换算减去大气压力,Ideal Gas 状态方程,用来表达过热流体材料的膨胀和气化行为例如. 反应堆冷却和 可压缩状态方程一起使用 单相区域使用Gruneisen状态方程饱和曲线作为参考曲线材料饱和曲线可以再用户子程序 EXTAB中定义 AUTODYN提供水的饱和曲线,Two Phase状态方程,Sesame 库,Sesame库作为存储状态数据的表格，并不是状态方程包含200多种材料，有金属、 矿物材料, 聚合物和混合物应用于一些特殊材料，密度和内能均有很大的变化范围，以满足特殊的变化需要谨慎使用Sesa
3、me 库属于美国政府控制出口的产品不包含在标准的发行包里如果允许的话可以从ANSYS 获得可以从 LANL直接获得,考虑积累效应，强度逐步降低 早期模型主要用于脆性材料的先前的Johnson-Holmquist 模型使用用户子程序建立模型多个用户子程序的有效结合,累积损伤失效模型,模型的强度数据通过10点分段线性曲线定义轴向力- 轴向应变 轴11力矩-曲率 轴 11力矩-曲率 轴 22力矩-曲率 轴 33试验得到的载荷-位移曲线直接添加到模型里面，以便取得理想的结构响应定义单元轴向、扭矩和弯矩响应的四条曲线数据不存在内在联系,Beam强化模型,Courtesy of AWE (A), UK,B
4、eam强化模型,例子: 比例为1/3 的拉覆试验试验失效载荷: 86kN 4KN模拟失效载荷: 83kN 5KN,Courtesy Sandia National Lab.,查看和列表显示破片的形成特性例子: 子弹出膛后爆炸,破片分析,用来定义刚性体显式动力学(ANSYS)中定义刚性体的不同方式在标准材料输入窗口选择 “EOS Rigid” 用刚性材料填充任意非结构化网格不适用于结构化网格刚性材料单元就是一个带有质量/惯量特性的单个刚体质量/惯量特性定义方式材料密度和单元体积材料中有明确定义使用一个刚体材料定义多个刚体,刚性材料,可变性弹丸 刚性弹丸,例子: 3D 斜侵彻,刚性材料,例子: 金
5、属板成型刚性冲头和模具非结构壳 (主四边形) 工件,冲头,工件,模具,刚性材料,AUTODYN 可以为模型定义大载荷谱条件下的各向异性材料模型正交各向异性线弹性响应 (结构加载)正交各向异性弹性刚度矩阵线性体积响应正交各向异性线弹性响应 与非线性状态方程的耦合 (瞬态冲击加载)改进的正交各向异性弹性刚度矩阵非线性体积响应正交各向异性塑性广义二次屈服面正交各向异性失效损伤失效脆性失效,正交各向异性材料,正交各向异性 状态方程,正交各向异性软化,正交各向异性屈服,联合使用正交各向异性 状态方程, 屈服和软化模型得到完整的响应,正交各向异性材料,等价的正交各向异性材料 - 只显示单个体,压层复合材料
6、,使用固体单元描述正交各向异性材料,或,正交各向异性材料,正交各向异性线弹性响应线性状态方程近似求出体积响应,正交各向异性材料,正交各向异性线弹性响应 与非线性状态方程的耦合PolynomialShockPorous,正交各向异性材料,屈服面形状通过系数矩阵定义, aij硬化参数, k广义形式简化为：Hills 正交各向异性屈服函数Von-mises 屈服函数,正交各向异性塑性使用广义二次屈服面,正交各向异性材料,正交各向异性失效 : 脆性 Failure三个正交各向异性脆性失效准则材料应力材料应变材料应力/应变可以在每个主材料方向指定拉应力/应变和剪切应力/应变,正交各向异性材料,正交各向异
7、性失效 : 损伤模型模型的失效初始准则 (面),正交各向异性材料,正交各向异性失效 : 损伤模型失效开始后, 程序会计算损伤张量用来降低屈服面强度,正交各向异性材料,KEVLAR-epoxy材料的静态拉伸实验,正交各向异性材料,例子: 破片碰撞 GFRP 靶,正交各向异性材料,层状复合壳主要用于结构载荷（非冲击载荷）作用下的薄壳结构层状复合壳通过 “Fill” 功能建模选择 Composite 按钮每一层连同法线初始条件被应用到网格层数可以使任意的，可以选择和存储每一层可以使各项同性和正交各向异性对正交各向异性材料必须指定 11 方向每一层有一个厚度每一层能独立查看,正交各向异性材料,层状复合
8、壳材料模型与标准壳单元协调的材料模型可以用于复合壳单元 正交各向异性材料需定义材料方向Tsai-Wu, Hoffman 和 Tsai-Hill 失效准则包含压缩和拉伸失效仅体积失效材料方向11 和22 位于壳平面33 为厚度方向材料轴选项I-J-K (推荐)默认 11 : 指标k增加的方向q 为11 方向绕单元中心的转角22 垂直于 11 在单元平面X-Y-Z,正交各向异性材料,例子: 鸟撞机翼 (机翼使用复合壳),正交各向异性材料,爆炸过程时间起爆初始起爆点/平面压缩起爆不推荐不完善的物理过程用点火和增长（ignition and growth） 模型代替爆炸产物的膨胀 (气体)JWL 状态
9、方程 (Jones, Wilkins, Lee),高能炸药,Detonation Fronts,Initiation Node,T1 = S1 / DT2 = S2 / D,时间起爆爆炸发生在点或平面 (使用者定义)爆轰波波前以爆速 D传播 T1 开始燃烧 T2结束燃烧化学能从 T1 到 T2线性释放燃烧分数随时间从 0.0 增加到1.0 单元变量 alpha = -T1, TT1,高能炸药 爆炸过程,时间起爆直接起爆起爆时间通过起爆点到单元中心的直线距离来计算 间接起爆起爆路径绕过惰性材料的最短有效路径决定,直接起爆不能用直接起爆,高能炸药 爆炸过程,时间起爆间接多点起爆 起爆点2是准确计算
10、shadow区域起爆时间的关键,高能炸药 爆炸过程,直接起爆间接起爆，1个起爆点间接起爆，2个起爆点间接起爆，3个起爆点,高能炸药 起爆路径,JWL状态方程用来描述炸药爆炸产物 (气体)的高速膨胀JWL 状态方程是一个经验公式，所需的数据均来源于数值和物理实验提供了很多常用炸药的数据膨胀气体的压力通过下式计算： A, B, R1, R2, w 为经验常数 ， r = 密度, r0 = 参考密度, h = r / r0, e = 比内能,log p,高能炸药 爆炸产物的膨胀,JWL 状态方程输入参数包括状态方程参数爆速单位体积化学能 AUTODYN标准材料库中包含大量的炸药数据压缩比和燃烧前体积
11、模量定义压缩起爆不推荐，默认值为0自动转变为理想气体考虑精度，推荐使用,高能炸药 爆炸产物的膨胀,whereQ = 附加的比能,a = 能量释放常数,m = 能量释放指数,n = 压力指数,JWL 状态方程 Miller Extension非理想炸药，比如包含有铝 (Al) 或高锰酸铵 (AP) ，铝 (Al) 或高锰酸铵 (AP) 颗粒燃烧后会释放出更多的能量 Miller extension 模型表达了这种能量释放,高能炸药 爆炸产物的膨胀,JWL 状态方程 - 能量释放范围的扩大 温压弹可以比传统的炸药释放更多的能量典型的为铝基炸药起爆后会消耗空气中的氧气 JWL 状态方程中附加的能量选
12、项这个随时间变化的能量释放能量在指定的时间间隔内积聚,高能炸药 爆炸产物的膨胀,JWL 状态方程 - 能量释放范围的扩大 10kg TNT球形装药，在0.12 和 0.55 msec之间附加能量2.15MJ/kg得到的结果更长的压力持续时间和更大的压力脉冲,高能炸药 爆炸产物的膨胀,Lee-Tarver Ignition & Growth Model用于高能炸药 (HE)初始状态研究假设点火在局部过热点， 并从这些点向外扩张由三个部分组成:惰性炸药状态方程 (Shock或 JWL )JWL -反应产物的状态方程反应率方程描述燃烧的点火、生长和完成,高能炸药,0.5 km/s 0.7 km/s
13、1.0 km/s,Lee-Tarver Ignition & Growth Model 例子: 冲击起爆,高能炸药,Powder Burning 模型模拟主要物理特征为爆燃 的材料的燃烧(纵火器、弹药)两相模型单元内气体和固体同时存在固体相: Linear/Compaction 状态方程气体相: JWL/Exponential燃速, c, 和气体压力, Pg相关燃烧率和气体压力 , Pg 以及燃烧分数, F有关公式: A Atwood, EK Friis and JF Moxnes, 一种带能量粉末材料燃烧的数学模型, 34th International Annual Conference
14、of ICT, June 24-27, 2003, Karlsruhe Federal Republic of Germany,慢燃炸药,Powder Burn模型例子: 枪膛内发射带弹带的弹丸,慢燃炸药,AUTODYN自带的材料数据的集合通过 Load，进入材料库材料可以通过 名称, 状态方程,强度模型和失效模型分类 所有的材料均有 EOS , 大多数有强度模型，部分有失效模型 可以增加和修改材料库中的数据，并且可以自己建立材料库模型选择以后，数据会自动使用当前的单位制,材料库,怎么使用材料模型?,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
15、？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应该知道参数怎样影响结果，要得到好的结果那些是关键的参数,材料用户子程序,子程序例子 : 强度模型Module STR_USER_1声明标量和数组INIT_STR_USER_1定义输入参数并创建输入菜单SET_STR_USER_1复制输入参数到求解器的标量/数组变量CHECK_STR_USER_1检查输入参数是否有效SOLVE_STR_USER_1强度模型求解,Global and Material Erosion,侵蚀是一个数值过程，在模拟过程中自动删除单元. 在退化前删除极度扭曲的单元 (degenerate). 保证时间步合理和足够大.确保求解能够完成. 能够用于材料破碎、切削和穿透在Explicit Dynamics (ANSYS), 能够为所有模型指定侵蚀准则在AUTODYN中, 可以为每一种材料定义侵蚀准则侵蚀不是一个物理结果 (或材料特性). 是为了防止网格畸变AUTODYN中有五种定义侵蚀的选项Geometric StrainPlastic StrainTimestepFailureUser Erosion用户子程序 EXEROD,
