在进行动态分析时,材料模型的选择和定义是至关重要的一步。DYNA3D 提供了多种材料模型,以适应不同的物理现象和材料特性。本节将详细介绍几种常用的材料模型,并通过具体的例子说明如何在仿真中进行配置和使用。
线弹性材料模型是最简单的材料模型之一,适用于在小变形范围内线性响应的材料。这种模型假设材料的应力与应变之间存在线性关系,即符合胡克定律。线弹性材料模型通常用于金属材料在低应力状态下的仿真。
线弹性材料模型的应力-应变关系可以通过以下公式表示:
σ=E⋅ϵ \sigma = E \cdot \epsilon σ=E⋅ϵ
其中:
σ\sigmaσ表示应力
EEE表示弹性模量
ϵ\epsilonϵ表示应变
在 DYNA3D 中,线弹性材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
屈服强度(SIGY)(可选,用于考虑塑性)
假设我们要定义一种线弹性材料,其密度为 7800 kg/m³,弹性模量为 210 GPa,泊松比为 0.3。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_ELASTIC
1, 7800.0, 210000.0, 0.3
解释:
*MAT_ELASTIC
表示定义线弹性材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是泊松比。
塑性材料模型用于描述材料在超过屈服强度后的行为。这种模型通常包括弹性变形和塑性变形两个阶段。在弹性阶段,材料遵循胡克定律;在塑性阶段,材料的应力-应变关系变得非线性。
塑性材料模型通常采用 von Mises 屈服准则和线性硬化模型。von Mises 屈服准则可以表示为:
σeq=32σdev2 \sigma_{\text{eq}} = \sqrt{\frac{3}{2} \sigma_{\text{dev}}^2} σeq=23σdev2
其中:
σeq\sigma_{\text{eq}}σeq是等效应力
σdev\sigma_{\text{dev}}σdev是应力偏张量
线性硬化模型可以表示为:
σ=E⋅ϵ+H⋅ϵp \sigma = E \cdot \epsilon + H \cdot \epsilon_{\text{p}} σ=E⋅ϵ+H⋅ϵp
其中:
σ\sigmaσ表示应力
EEE表示弹性模量
ϵ\epsilonϵ表示应变
HHH表示硬化模量
ϵp\epsilon_{\text{p}}ϵp表示塑性应变
在 DYNA3D 中,塑性材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
屈服强度(SIGY)
硬化模量(H)
假设我们要定义一种塑性材料,其密度为 7800 kg/m³,弹性模量为 210 GPa,泊松比为 0.3,屈服强度为 250 MPa,硬化模量为 1000 MPa。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
1, 7800.0, 210000.0, 0.3, 250.0, 1000.0
解释:
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
表示定义塑性材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是泊松比。
250.0
是屈服强度(单位:Pa)。
1000.0
是硬化模量(单位:Pa)。
损伤材料模型用于描述材料在受力过程中逐渐损坏的行为。这种模型通常包括损伤演化和损伤变量两个部分。损伤变量用于描述材料的损伤程度,而损伤演化则描述了损伤变量随时间或应变的变化规律。
损伤材料模型通常采用等效损伤变量 DDD来描述材料的损伤程度。等效应力 σeff\sigma_{\text{eff}}σeff可以表示为:
σeff=(1−D)⋅σ \sigma_{\text{eff}} = (1 - D) \cdot \sigma σeff=(1−D)⋅σ
其中:
σeff\sigma_{\text{eff}}σeff是等效应力
DDD是损伤变量
σ\sigmaσ是实际应力
损伤变量 DDD通常通过以下公式演化:
D=ϵfailϵfail−ϵcrit D = \frac{\epsilon_{\text{fail}}}{\epsilon_{\text{fail}} - \epsilon_{\text{crit}}} D=ϵfail−ϵcritϵfail
其中:
ϵfail\epsilon_{\text{fail}}ϵfail是材料的失效应变
ϵcrit\epsilon_{\text{crit}}ϵcrit是材料的临界应变
在 DYNA3D 中,损伤材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
屈服强度(SIGY)
硬化模量(H)
失效应变(EPSFAIL)
临界应变(EPSCON)
假设我们要定义一种损伤材料,其密度为 7800 kg/m³,弹性模量为 210 GPa,泊松比为 0.3,屈服强度为 250 MPa,硬化模量为 1000 MPa,失效应变为 0.15,临界应变为 0.1。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_damage
1, 7800.0, 210000.0, 0.3, 250.0, 1000.0, 0.15, 0.1
解释:
*MAT_damage
表示定义损伤材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是泊松比。
250.0
是屈服强度(单位:Pa)。
1000.0
是硬化模量(单位:Pa)。
0.15
是失效应变。
0.1
是临界应变。
高应变率材料模型用于描述材料在高应变率下的行为。这种模型通常考虑了应变率效应对材料性质的影响。应变率效应是指材料的力学性能随应变率的变化而变化。
高应变率材料模型通常采用应变率敏感系数 α\alphaα来描述应变率效应对材料性质的影响。应变率敏感系数 α\alphaα可以通过以下公式表示:
σ=σ0(1+α⋅ϵ˙) \sigma = \sigma_0 \left(1 + \alpha \cdot \dot{\epsilon}\right) σ=σ0(1+α⋅ϵ˙)
其中:
σ\sigmaσ表示应力
σ0\sigma_0σ0表示初始应力
α\alphaα是应变率敏感系数
ϵ˙\dot{\epsilon}ϵ˙是应变率
在 DYNA3D 中,高应变率材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
屈服强度(SIGY)
硬化模量(H)
应变率敏感系数(ALPHA)
假设我们要定义一种高应变率材料,其密度为 7800 kg/m³,弹性模量为 210 GPa,泊松比为 0.3,屈服强度为 250 MPa,硬化模量为 1000 MPa,应变率敏感系数为 0.05。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_HIGH_STRAIN_RATE
1, 7800.0, 210000.0, 0.3, 250.0, 1000.0, 0.05
解释:
*MAT_HIGH_STRAIN_RATE
表示定义高应变率材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是泊松比。
250.0
是屈服强度(单位:Pa)。
1000.0
是硬化模量(单位:Pa)。
0.05
是应变率敏感系数。
多相材料模型用于描述由多种材料组成的复合材料。这种模型通常考虑了各相材料的性质及其相互作用。多相材料模型在复合材料、生物材料等领域的应用非常广泛。
多相材料模型的应力-应变关系可以通过以下公式表示:
σ=∑i=1nVi⋅σi \sigma = \sum_{i=1}^{n} V_i \cdot \sigma_i σ=i=1∑nVi⋅σi
其中:
σ\sigmaσ表示复合材料的总应力
ViV_iVi是第 iii相材料的体积分数
σi\sigma_iσi是第 iii相材料的应力
在 DYNA3D 中,多相材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
各相材料的编号
各相材料的体积分数
假设我们要定义一种由两相材料组成的复合材料,各相材料编号分别为 1 和 2,体积分数分别为 0.7 和 0.3。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_MULTI_PHASE
3, 7800.0, 210000.0, 0.3
1, 0.7
2, 0.3
解释:
*MAT_MULTI_PHASE
表示定义多相材料模型。
3
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是复合材料的密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是复合材料的弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是复合材料的泊松比。
1, 0.7
表示第 1 相材料的编号和体积分数。
2, 0.3
表示第 2 相材料的编号和体积分数。
液体材料模型用于描述液体在动态载荷下的行为。这种模型通常考虑了液体的不可压缩性和粘性。
液体材料模型的应力-应变关系可以通过以下公式表示:
σ=−p⋅I+η⋅ϵ˙ \sigma = -p \cdot I + \eta \cdot \dot{\epsilon} σ=−p⋅I+η⋅ϵ˙
其中:
σ\sigmaσ表示应力张量
ppp是压强
III是单位张量
η\etaη是粘度
ϵ˙\dot{\epsilon}ϵ˙是应变率张量
在 DYNA3D 中,液体材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
粘度(ETA)
体模量(BULK)
假设我们要定义一种液体材料,其密度为 1000 kg/m³,粘度为 0.001 Pa·s,体模量为 2.2 GPa。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_FLUID
1, 1000.0, 0.001, 2.2e9
解释:
*MAT_FLUID
表示定义液体材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
1000.0
是密度(单位:kg/m³)。
0.001
是粘度(单位:Pa·s)。
2.2e9
是体模量(单位:Pa)。
爆炸材料模型用于描述爆炸过程中的材料行为。这种模型通常考虑了爆炸的化学反应、能量释放和高温高压等极端条件。
爆炸材料模型的应力-应变关系可以通过以下公式表示:
σ=f(p,T,ρ,ϵ˙) \sigma = f(p, T, \rho, \dot{\epsilon}) σ=f(p,T,ρ,ϵ˙)
其中:
σ\sigmaσ表示应力张量
ppp是压强
TTT是温度
ρ\rhoρ是密度
ϵ˙\dot{\epsilon}ϵ˙是应变率张量
在 DYNA3D 中,爆炸材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
初始压强(P0)
初始温度(T0)
化学反应参数
状态方程参数
假设我们要定义一种爆炸材料,其密度为 1600 kg/m³,初始压强为 100 MPa,初始温度为 300 K,化学反应参数和状态方程参数分别为 0.5 和 1.0。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_EXPLOSIVE
1, 1600.0, 100000000.0, 300.0, 0.5, 1.0
解释:
*MAT_EXPLOSIVE
表示定义爆炸材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
1600.0
是密度(单位:kg/m³)。
100000000.0
是初始压强(单位:Pa)。
300.0
是初始温度(单位:K)。
0.5
是化学反应参数。
1.0
是状态方程参数。
摩擦材料模型用于描述接触面之间的摩擦行为。这种模型通常考虑了法向力、切向力和摩擦系数等因素。
摩擦材料模型的切向应力 τ\tauτ可以通过以下公式表示:
τ=μ⋅N \tau = \mu \cdot N τ=μ⋅N
其中:
τ\tauτ是切向应力
μ\muμ是摩擦系数
NNN是法向力
在 DYNA3D 中,摩擦材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
摩擦系数(MU)
假设我们要定义一种摩擦材料,其密度为 7800 kg/m³,弹性模量为 210 GPa,泊松比为 0.3,摩擦系数为 0.5。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_FRICTION
1, 7800.0, 210000.0, 0.3, 0.5
解释:
*MAT_FRICTION
表示定义摩擦材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是泊松比。
0.5
是摩擦系数。
粘弹性材料模型用于描述材料在动态载荷下的粘弹行为。这种模型通常考虑了材料的弹性响应和粘性响应的组合。粘弹性材料在受到动态载荷时,不仅表现出弹性特性,还会表现出时间依赖的粘性特性,因此适用于模拟橡胶、聚合物等材料的行为。
粘弹性材料模型的应力-应变关系可以通过以下公式表示:
σ(t)=E⋅ϵ(t)+∫0tη⋅ϵ˙(τ) dτ \sigma(t) = E \cdot \epsilon(t) + \int_0^t \eta \cdot \dot{\epsilon}(\tau) \, d\tau σ(t)=E⋅ϵ(t)+∫0tη⋅ϵ˙(τ)dτ
其中:
σ(t)\sigma(t)σ(t)表示时间 ttt时刻的应力
EEE是弹性模量
ϵ(t)\epsilon(t)ϵ(t)是时间 ttt时刻的应变
η\etaη是粘度
ϵ˙(τ)\dot{\epsilon}(\tau)ϵ˙(τ)是时间 τ\tauτ时刻的应变率
粘弹性材料模型通常采用多种形式,包括单轴粘弹性模型、广义Maxwell模型和广义Kelvin-Voigt模型等。这些模型通过不同的弹簧和阻尼器组合来描述材料的粘弹行为。
在 DYNA3D 中,粘弹性材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
粘度(ETA)
损伤参数(可选)
假设我们要定义一种粘弹性材料,其密度为 1200 kg/m³,弹性模量为 1.0 GPa,泊松比为 0.45,粘度为 0.01 Pa·s。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_VISCOELASTIC
1, 1200.0, 1.0e9, 0.45, 0.01
解释:
*MAT_VISCOELASTIC
表示定义粘弹性材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
1200.0
是密度(单位:kg/m³)。
1.0e9
是弹性模量(单位:Pa)。
0.45
是泊松比。
0.01
是粘度(单位:Pa·s)。
损伤塑性材料模型结合了塑性材料模型和损伤材料模型的特点,用于描述材料在塑性变形过程中逐渐损伤的行为。这种模型适用于模拟金属材料在高应力和高应变下的损伤和失效。
损伤塑性材料模型通常采用von Mises屈服准则和线性硬化模型,同时引入损伤变量 DDD来描述材料的损伤程度。等效应力 σeff\sigma_{\text{eff}}σeff可以表示为:
σeff=(1−D)⋅σ \sigma_{\text{eff}} = (1 - D) \cdot \sigma σeff=(1−D)⋅σ
其中:
σeff\sigma_{\text{eff}}σeff是等效应力
DDD是损伤变量
σ\sigmaσ是实际应力
损伤变量 DDD通常通过以下公式演化:
D=ϵfailϵfail−ϵcrit D = \frac{\epsilon_{\text{fail}}}{\epsilon_{\text{fail}} - \epsilon_{\text{crit}}} D=ϵfail−ϵcritϵfail
其中:
ϵfail\epsilon_{\text{fail}}ϵfail是材料的失效应变
ϵcrit\epsilon_{\text{crit}}ϵcrit是材料的临界应变
在 DYNA3D 中,损伤塑性材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
屈服强度(SIGY)
硬化模量(H)
失效应变(EPSFAIL)
临界应变(EPSCON)
假设我们要定义一种损伤塑性材料,其密度为 7800 kg/m³,弹性模量为 210 GPa,泊松比为 0.3,屈服强度为 250 MPa,硬化模量为 1000 MPa,失效应变为 0.15,临界应变为 0.1。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_DAMAGE_PLASTIC
1, 7800.0, 210000.0, 0.3, 250.0, 1000.0, 0.15, 0.1
解释:
*MAT_DAMAGE_PLASTIC
表示定义损伤塑性材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是泊松比。
250.0
是屈服强度(单位:Pa)。
1000.0
是硬化模量(单位:Pa)。
0.15
是失效应变。
0.1
是临界应变。
损伤各向异性材料模型用于描述材料在不同方向上的损伤行为。这种模型通常考虑了材料的各向异性特性,适用于模拟复合材料、陶瓷材料等在多轴应力下的损伤和失效。
损伤各向异性材料模型通常采用多个损伤变量 DiD_iDi来描述材料在不同方向上的损伤程度。等效应力 σeff\sigma_{\text{eff}}σeff可以表示为:
σeff=(1−D1)⋅(1−D2)⋅(1−D3)⋅σ \sigma_{\text{eff}} = (1 - D_1) \cdot (1 - D_2) \cdot (1 - D_3) \cdot \sigma σeff=(1−D1)⋅(1−D2)⋅(1−D3)⋅σ
其中:
σeff\sigma_{\text{eff}}σeff是等效应力
D1,D2,D3D_1, D_2, D_3D1,D2,D3是不同方向的损伤变量
σ\sigmaσ是实际应力
损伤变量 DiD_iDi通常通过以下公式演化:
Di=ϵfail,iϵfail,i−ϵcrit,i D_i = \frac{\epsilon_{\text{fail},i}}{\epsilon_{\text{fail},i} - \epsilon_{\text{crit},i}} Di=ϵfail,i−ϵcrit,iϵfail,i
其中:
ϵfail,i\epsilon_{\text{fail},i}ϵfail,i是第 iii方向的失效应变
ϵcrit,i\epsilon_{\text{crit},i}ϵcrit,i是第 iii方向的临界应变
在 DYNA3D 中,损伤各向异性材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
屈服强度(SIGY)
硬化模量(H)
不同方向的失效应变(EPSFAIL1, EPSFAIL2, EPSFAIL3)
不同方向的临界应变(EPSCON1, EPSCON2, EPSCON3)
假设我们要定义一种损伤各向异性材料,其密度为 7800 kg/m³,弹性模量为 210 GPa,泊松比为 0.3,屈服强度为 250 MPa,硬化模量为 1000 MPa,不同方向的失效应变分别为 0.15, 0.2, 0.1,不同方向的临界应变分别为 0.1, 0.15, 0.05。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_DAMAGE_ANISOTROPIC
1, 7800.0, 210000.0, 0.3, 250.0, 1000.0, 0.15, 0.2, 0.1, 0.1, 0.15, 0.05
解释:
*MAT_DAMAGE_ANISOTROPIC
表示定义损伤各向异性材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
210000.0
是弹性模量(单位:Pa)。
0.3
是泊松比。
250.0
是屈服强度(单位:Pa)。
1000.0
是硬化模量(单位:Pa)。
0.15, 0.2, 0.1
是不同方向的失效应变。
0.1, 0.15, 0.05
是不同方向的临界应变。
热力学材料模型用于描述材料在高温下的行为。这种模型通常考虑了温度对材料性质的影响,适用于模拟高温环境下的金属材料、复合材料等。
热力学材料模型的应力-应变关系可以通过以下公式表示:
σ(T)=E(T)⋅ϵ \sigma(T) = E(T) \cdot \epsilon σ(T)=E(T)⋅ϵ
其中:
σ(T)\sigma(T)σ(T)表示温度 TTT下的应力
E(T)E(T)E(T)是温度相关的弹性模量
ϵ\epsilonϵ是应变
温度相关的弹性模量 E(T)E(T)E(T)可以通过实验数据或经验公式得到。常见的经验公式包括线性温度依赖模型和非线性温度依赖模型。
在 DYNA3D 中,热力学材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
弹性模量(E)
泊松比(NU)
温度相关的弹性模量数据
温度相关的屈服强度数据(可选)
假设我们要定义一种热力学材料,其密度为 7800 kg/m³,泊松比为 0.3,温度相关的弹性模量数据如下表所示:
| 温度 (K) | 弹性模量 (Pa) |
|----------|----------------|
| 300 | 210000000000 |
| 600 | 195000000000 |
| 900 | 180000000000 |
可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_THERMAL_ELASTIC
1, 7800.0, 0.3
300, 210000000000
600, 195000000000
900, 180000000000
解释:
*MAT_THERMAL_ELASTIC
表示定义热力学材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
0.3
是泊松比。
接下来的几行表示温度和对应的弹性模量数据。
损伤热力学材料模型结合了热力学材料模型和损伤材料模型的特点,用于描述材料在高温下的损伤行为。这种模型适用于模拟高温环境下的金属材料、复合材料等的损伤和失效。
损伤热力学材料模型的应力-应变关系可以通过以下公式表示:
σeff(T)=(1−D)⋅σ(T) \sigma_{\text{eff}}(T) = (1 - D) \cdot \sigma(T) σeff(T)=(1−D)⋅σ(T)
其中:
σeff(T)\sigma_{\text{eff}}(T)σeff(T)是温度 TTT下的等效应力
DDD是损伤变量
σ(T)\sigma(T)σ(T)是温度 TTT下的实际应力
损伤变量 DDD通常通过以下公式演化:
D=ϵfailϵfail−ϵcrit D = \frac{\epsilon_{\text{fail}}}{\epsilon_{\text{fail}} - \epsilon_{\text{crit}}} D=ϵfail−ϵcritϵfail
其中:
ϵfail\epsilon_{\text{fail}}ϵfail是材料的失效应变
ϵcrit\epsilon_{\text{crit}}ϵcrit是材料的临界应变
在 DYNA3D 中,损伤热力学材料模型的定义通常包括以下参数:
材料编号(MATID)
密度(RHO)
泊松比(NU)
温度相关的弹性模量数据
温度相关的屈服强度数据(可选)
失效应变(EPSFAIL)
临界应变(EPSCON)
假设我们要定义一种损伤热力学材料,其密度为 7800 kg/m³,泊松比为 0.3,温度相关的弹性模量和屈服强度数据如下表所示:
| 温度 (K) | 弹性模量 (Pa) | 屈服强度 (Pa) |
|----------|----------------|----------------|
| 300 | 210000000000 | 250000000 |
| 600 | 195000000000 | 230000000 |
| 900 | 180000000000 | 200000000 |
失效应变为 0.15,临界应变为 0.1。可以在材料定义文件(mater.dat)中添加如下内容:
*MAT_DAMAGE_THERMAL_ELASTIC
1, 7800.0, 0.3
300, 210000000000, 250000000
600, 195000000000, 230000000
900, 180000000000, 200000000
0.15, 0.1
解释:
*MAT_DAMAGE_THERMAL_ELASTIC
表示定义损伤热力学材料模型。
1
是材料编号,可以根据需要更改。
7800.0
是密度(单位:kg/m³)。
0.3
是泊松比。
接下来的几行表示温度、对应的弹性模量和屈服强度数据。
0.15, 0.1
分别表示失效应变和临界应变。
在 DYNA3D 中,选择合适的材料模型对于准确模拟材料的行为至关重要。不同的材料模型适用于不同的物理现象和材料特性。通过合理配置材料参数,可以有效地模拟各种复杂材料在动态载荷下的响应。希望本节的介绍和例子能够帮助读者在使用 DYNA3D 时更好地选择和定义材料模型。