LS-DYNA碰撞分析新篇章:材料失效定义与应用

LS-DYNA作为一款优秀的多物理场有限元分析软件,可以被用来解决固体力学、热力学以及流体力学等问题。这些问题既可以是单独的物理现象,也可以是也可以由几种物理现象耦合而成,例如热应力分析或者流固耦合分析。LS-DYNA中有的材料类型有失效准则的定义,如Johnson_Cook模型和Plastic_Kinematic模型。本例主要进行采用定义材料失效进行结果对比分析。


  • 计算对象 钢制金属件1以2.9m/s的速度在重力方向上冲击铝制外壳2。

计算对象.png

  • 本例中采用如下设置: 单位制:mm-kN-ms-GPa


  • *MAT_001or MAT_ELASTIC:各向同性的弹性材料。一般只需要设定密度、弹性模量和泊松比。(设置钢制件材料为MAT_ELASTIC)

mat-1.png

mat-2.png

  • *MAT_003 or MAT_PLASTIC_KINEMATIC:各向同性的弹塑性材料。除了MAT_001中定义的材料属性,还需要定义SIGY(屈服应力)和ETAN(切向弹性模量)。理想状态下ETAN为0,即塑性阶段变形增加但是应力不变。(本案例碰撞分析考虑弹塑性变形,设置钢制件材料为MAT_ELASTIC)。

查阅帮助文档,该类材料的主要需要定义密度、杨氏模量、泊松比、屈服强度、切变模量、侵蚀单元有效塑性应变(该参数为本案例的关键参数)

mat-3.png

mat-4.png

调整侵蚀单元有效塑性应变进行对比

mat-7.png

*SECTION_SOLID(实体截面)

  • 这个关键字下定义的是实体截面属性。如果定义sid = 1,那么对应的部件都是由八结点六面体的常应力单元构成。实体单元。ELFORM = 1,标准六面体单元,只有1个积分点;ELFORM = 2,六面体单元,全积分,8个积分点,隐式静态分析很常用;ELFORM = 3,六面体 单元,全积分,结点可旋转;ELFORM = 10,四面体单元,只有1个积分点;ELFORM = 13,四面体单元,只有1个积分点,自由度较高,降低了剪力锁定(Shear Lock),更接近六面体运算的结果;ELFORM = 16,四面体单元,全积分。(ELFORM选择的经验总结首先看是动态分析还是静态分析。动态显式分析一般使用一阶单元截面,静态隐式问题一般用二阶单元截面。使用只有1个积分点的单元时,一定要注意沙漏控制,尤其是四边形单元和六面体单元。)


  • 冲击速度设置:

速度-1.png

速度-2.png

  • 重力设置:


1)定义重力曲线

重力-1.png


2)重力加载

重力-2.png

重力-3.png

碰撞接触设置

接触-1.png

接触-2.png

  • 边界约束:图示处固定约束

边界条件.png

  • 结束时间设置:

时间设定.png

  • 结果:

d3plot_001.gif

d3plot_003.gif

  • 结果分析

本案例通过定义合适的失效应变,对失效单元进行删除。

使用该方法时,需要注意两点,一是模型中开裂破坏的部分必须划分较密的网格,否则大量单元失效将导致计算结果较大的误差;二是选取适当的失效判定依据和阈值,算法可以通过定义失效应变阈值控制单元失效,阈值太小,单元过早删除,或阈值太大,单元发生了不切实际的大变形,均会导致结果产生较大的误差。因此,计算中应当根据计算结果和试验结果的对照来确定阈值。


另外在动力冲击计算中,很容易产生负体积。现就一些关于负体积的经验进行分享:

LS-DYNA出现负体积的原因

  1. 网格品质:单元长宽比较大时,一旦受力,短边容易出现负体积。
  2. 材料模型,所选材料模型不合适,受力后形成冲击,引起很大变形容易引起负体积。例如MAT_001。
  3. 模型设定:若给予很大的冲击设定,或者摩擦系数没有设定好。

LS-DYNA出现负体积的解决办法

  1. 网格品质:检查网格,找出长宽比较大的单元进行修改或者合并单元。
  2. 材料模型:修改模型参数或者更换其他材料模型。
  3. 模型设定:检查并修改*CONTACT里面的摩擦系数或者SF(Scale Factor)。另外一些较薄的零件如果没有缓冲作用,仅作粘接使用,那么可以直接删除此零件,用*TIEBREAK_CONTACT将两边所要粘接的零件tie在一起。



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