Lsdyna中的失效模型
一、背景
材料的失效行为取决于多个方面,包括塑性应变、应力状态、加载路径、局部化、应变率、各向异性等。失效或损伤模型的选择将取决于具体应用场景及所需精度。二、材料失效模型和损伤模型
1、材料失效模型
失效变量作为失效起始的判断指标,对材料刚度或强度无影响,部分模型为增量型,其余则不是。
失效模型通常比损伤模型更简单,一般只需通过试验确定更少的参数。2、材料损伤模型
损伤变量作为失效起始的判断指标,材料的刚度或强度会受损伤影响
通常为增量型模型。
损伤模型通常比失效模型更为复杂,一般需要通过试验确定更多的参数。小结:Lsdyna中的部分模型(如 GISSMO 模型)可同时作为失效模型与损伤模型使用。通常在 LS-DYNA 中,当达到失效判据后会发生单元删除(单元侵蚀)。增量型模型通常精度更高(例如在非比例加载工况下)。3、Lsdyna中的失效和损伤模型
Lsdyna中塑性与失效通过相同的关键字MAT* 进行定义处理*MAT_PLASTICITY_WITH_DAMAGE失效(或损伤)通过额外的关键字进行定义,这类关键字通常以*MAT_ADD_XXX开头。如:*MAT_ADD_EROSION
*MAT_ADD_DAMAGE_GISSMO
*MAT_ADD_DAMAGE_DIEM
*MAT_ADD_GENERALIZED_DAMAGE
塑性模型与失效(或损伤)模型之间的关联,通过在两个关键字中使用相同的材料 ID来实现。三、Lsdyna中的可用的典型失效模型
*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(024)特点:基于冯・米塞斯屈服准则的弹塑性材料模型,包含各向同性强化与应变率效应;失效判据基于塑性等效应变。*MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(#123)特点:与 * MAT_024 相似,额外扩展了多项功能选项;失效判据可基于塑性等效应变、减薄应变和 / 或主应变。*MAT_JOHNSON_COOK(#015)和*MAT_MODIFIED_JOHNSON_COOK(#107)特点:与温度和应变率相关的材料模型,失效判据为应力三轴度的函数。特点:适用于壳单元的正交各向异性弹塑性材料模型;模型内置 Cockcroft‑Latham 与 Bressan‑Williams 断裂判据。特点:采用模块化思路,为已有材料模型附加失效判据。上述部分模型可通过*MAT_ADD_EROSION关键字,借助 GISSMO 或 DIEM 模型进行实现。1、*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(# 024)
在 *MAT_024 中通过FAIL标志实现非常简单的判据:将等效塑性应变与 FAIL 参数值进行对比。若所有积分点均满足该判据,壳单元将被删除。与应力状态或应变率无关(拉伸与压缩下的失效行为一致)。不属于增量型模型。2、*MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(#123)
特点:三个失效判据可用
EPSTHIN:失效减薄应变;EPSMAJ:失效主应变
该材料模型与 *MAT_024 类似,但额外增加了两种失效判据。对于壳单元,参数 NUMINT 用于定义需有多少个积分点发生失效后,单元才会被删除。不属于增量型模型。3、*MAT_ADD_EROSION
特点:有一些可用的简单失效判据
失效相关参数:
MXPRES(Maximum pressure at failure):失效时的最大压力
MNEPS(Minimum principal strain at failure):失效时的最小主应变
EFFEPS(Effective strain at failure):失效时的有效应变
VOLEPS(Volumetric strain at failure):失效时的体积应变
NUMFIP:失效积分点数量参数
NCS:失效判据组合参数,单元删除前需满足的失效判据数量(默认值 = 1)
MNPRES(Minimum pressure at failure):失效时的最小压力
SIGP1(Principal stress at failure):失效时的主应力
SIGVM(Equivalent stress at failure):失效时的等效应力
MXEPS(Maximum principal strain at failure):失效时的最大主应变
EPSSH(Shear strain at failure):失效时的剪切应变
IMPULSE:冲量
FAILTM:失效时间
*MAT_ADD_EROSION 采用模块化设计,包含多种简易失效判据。如需启用该关键字,只需为需应用失效判据的基体材料,使用相同的材料 ID定义该关键字即可。该模型不属于增量型模型。
4、*MAT_JOHNSON_COOK失效模型(#015)
JC失效模型是一个基于应力三轴度、应变率和温度的增量型失效判据模型断裂应变由下式给出:
损伤值由以下式计算:
当D=1时,断裂发生。
该功能在*MAT_015或*MAT_107中可用,也可通过GISSMO或DIEM模型结合*MAT_ADD_EROSION关键字实现完全相同的效果。
5、Cockcroft-Latham 失效准则一种基于第一主应力和变形历史的增量型判据。
Cockcroft 和 Latham(1968)提出了一种简易失效准则,其中失效值 W 是根据累积塑性应变的增量和当前主应力进行累积计算的。
当
时,失效发生。
在 LS-DYNA 中,该准则可在 *MAT_135 材料模型中使用。

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硕士
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CAE仿真负责人
个人著作《汽车NVH一本通》
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