AUTODYN计算分析基础

AUTODYN计算分析基础特点•商用：终点效应，LS-DYNA、AUTODYN和DYTRAN。AUTODYN更适合：•应用领域：军工，DYNA民用多，汽车(接触算法)；•独特的映射技术:可实现不同求解器间的转换，如Lagrange和Euler之间的相互映射；•材料库：军工专用的材料库，约300种，结构材料都考虑了应变率影响；•状态方程：14种，流固耦合。爆轰，炸药JWL，冲击起爆Lee-Tarver、Slow-Burn（引信点火或爆燃）独有，多种两相EOS，描述高速冲击气化现象;特点（续）•特有的随机失效模式：材料整体性能的非均性，材料破坏时别于其几何上的对称性特点而表现为一种随机行为。自然破片战斗部；•Euler技术：三种Euler，高精度(Euler-FCT,Euler-Godunov)，爆炸驱动、波传播、射流穿甲具优势，杵体长度、速度分布与实测吻合较好；•无网格技术：SPH，高速冲击碰撞，几何空间来填充SPH粒子，方便、稳定。•前后处理及求解器集成性一般问题的分析步骤第一步设置求解类型(2D、3D)、单位制•用单精度来满足求解效率和内存的需要：–避免出现压力低于10-6的单位制；–避免出现单元质量低于10-6的单位。•缺省单位：长度质量时间速度力压强密度能量mmmgmsm/smNkPag/cm3mJ一般问题的分析步骤－第二步定义材料•第一种方式：材料库选择材料模型状态方程(体积改变)Singlephase、Multi-phase、Compaction、Explosive强度模型（形状改变）屈服应力与应变、应变率和温度等之间的关系Hydrodynamic、elastic、Perfectlyplastic、Strainhardening、Pressurehardening、Strain-ratehardening、Thermalsoftening、Orthotropic失效模型（材料失效标准）PlasticStrain、TensilePressure、PrincipalStress/Strain、OrthotropicStress/Strain、Damage材料很大程度依赖于使用领域和可得到的材料数据原则：材料模型尽可能简单一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)Linear状态方程：假设压力与内能无关，密度变化小，过程可逆(等熵)，常用于固体(4340STEEL)。K体积模量，μ压缩比；–材料数据少，但是大的压缩情况不太精确。Polynomial状态方程(water)拉伸：压缩：SHOCKEOS:copper“状态方程”基本假定:容变律与畸变律解耦；忽略体积粘性。eBTTPref0221Kp0()1eBBAAAPref10332210()12p2p1sususcU一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•一些带孔的材料，变形过程中孔破裂导致不可逆转的体积变形，–粉末(用来加工成型用的金属粉末)、混凝土、土壤•要求EOS：既允许不可逆转的气孔破裂，也能计算初始的弹性体积变形和最后的材料状态。•使用三种状态方程来描述：–Porous、Compaction、P-Alpha一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•压缩路径通过密度和压强的十个分段线性函数的值描述；•弹性加载/卸载的斜度是初始声速和完全压实后声速的线性插值。Porous状态方程(泡沫等减震隔爆)压强P初始密度弹性载荷塑性压缩参考密度ref密度弹性卸载/重新加载完全压缩一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•是porous状态方程的扩展，允许更多的对弹性加载/卸载的斜度的控制；•弹性声速是密度的函数(优于用线性插值)。Compaction状态方程压强P塑性压缩弹性载荷完全压缩弹性卸载/重新加载初始密度参考密度ref密度一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•完全压缩材料用Linear、Polynomial或者Shock状态方程来定义；•塑性压缩路径基于一个幂函数，用户可以定义。P-alphaEOS(混凝土、陶瓷等人工脆性材料)Necc0PPPP11完全压缩P01pPorosity,c/PePc塑性压缩弹性卸载/重新加载弹性载荷一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•方程形式：γIdealGas状态方程(空气、爆炸产物后期)shiftP=γ-1ρe+P其中：=理想气体常数，=密度Pshift=初始压强，e=内能•说明：Pshift用来定义小一个初始压强，避免出现数值计算问题。γ一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•用来描述炸药爆轰产物迅速膨胀(爆炸和膨胀阶段)；•JWL状态方程是一经验公式，数据来源于物理(圆筒)实验；•状态方程适用于大多数高能炸药(含铝除外)；•爆轰产物的气体压强由下面公式给出：•其中A、B,、R1、R2、w是经验导出常数，=密度，=参考密度，h=/0，e=内能。•自动转成理想气体状态方程JWL状态方程（炸药爆炸）eeR1BeR1AP21R2R1wwhwhhh0nmPadtd)1(Q=附加的比能,a=能量释放常数,m=能量释放指数,n=压力指数VQEeVRBeVRAPVRVR)()1()1(2121•JWL状态方程–MillerExtension–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模型表达了这种能量释放一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•点火和生长模型用来描述炸药的初始阶段；•假设：点火开始于局部过热点，从这些点向外开始生长；•Lee-Tarver状态方程有下面的三个基本部分组成：–对于惰性炸药的一个状态方程(用Shock或JWL形式)；–用JWL状态方程描述反应的爆炸产物；–反应率方程描述燃烧的点火、生长和完成。Lee-Tarver状态方程(冲击起爆)Steel-HE-Steel靶；铜弹碰撞速度:–2.5km/s–3.0km/s2.5km/s没有冲击引爆；3.0km/s时，冲击引爆。一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)Lee-Tarver状态方程2.5km/s3.0km/s一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•描述炸药在不引爆情况下的慢燃(爆燃)过程：–爆炸物质以预定义的燃烧速度点火；•起爆由时间决定。–随后的爆炸物质以下定义的速率燃烧：•F是材料的燃烧尺寸；•G,c,h(P)是用户输入参数。•线性或压缩固体状态方程•JWL状态方程用于爆炸产物•用于拉格朗日和SPH求解器。SlowBurn状态方程FcG1FhPt一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•用户自定义状态方程•子程序EXEOS定义•通过公共块使用其它的变量•提供子程序构架用户自定义状态方程一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•None•Elastic•Von-Mises•Viscoelastic•Johnson-Cook•Piecewise-JC•Zerilli-Armstrong•Steinberg-Guinan材料强度类型•Cowper-Symonds•Drucker-Prager•MO-Granular•Johnson-Holmquist•RHT-Concrete•Beam-Pesistance•OrthotropicYield•CrushableFoam(Iso)•UserStrength#1一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•大应变、高应变率和高温度的材料，用于高速碰撞或爆炸引起的材料变形。这种材料屈服应力为：Johnson-Cook模型n*mppHY=A+Bε1+Clogε1-T•其中，为有效塑性应变；为有效塑性应变；••A、B、C、n、m和为材料常数。ppHroommeltroomTT-TT-TmeltT一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•包括压强对屈服应力和剪切模量的影响•与应变率没有直接的关系–在整个计算过程中应变率非常高(大于105/秒)Steinberg-Guinan强度模型•其中，为有效应变率；T为温度(K)；•为压缩比。0vvh一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•常用于干土、沙子、岩石、混凝土和陶瓷等材料。•压强硬化–10点分段屈服应力-压强曲线•密度硬化–10点分段屈服应力-密度曲线•剪切模量变量–10点分段剪切模量-密度曲线MO-Granular强度模型一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•用于易碎的材料，比如玻璃、陶瓷等；•易碎的材料屈服于大应变，高应变率和高压强；•组合塑性损伤模型；•材料屈服是由于微裂纹生长代替了断层运动(金属塑性)；•由于有效塑性应变，损伤会累积。Johnson-Holmquist模型一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•大多数材料在失效之前，仅能抵挡较小的拉伸应力和(或)应变；•有许多方式来判定是否失效：•单元的失效行为既可以是瞬时的，也可是累积造成的。失效模型一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•当压力低于静水拉伸压力临界时，发生体积失效。这可以用来描述材料的断裂或气穴现象。压强静水拉伸压强临界时间Hydro失效(Bulk)一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•当有效塑性应变超过输入的临界应变值时，发生体积失效，这可以用来描述易延展性材料失效。应变失效(Bulk)应力EPS临界应变一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•失效标准：•影响因素：Johnson-Cook破坏/损伤模型fD温度项压强项应变率项*5*4211.ln1*3TDDeDDDf•当D=1.0材料开始失效；•用于OFHC铜、装甲钢、4340号钢等。一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•用于对称载荷和对称几何情况；•材料的细微缺陷地方–就是失效和断裂初始的地方；•采用材料应力/应变随机失效的方法：–每一个单元有不同的失效应力/应变；–模拟材料本身的缺陷。•Mott分布表示材料的失效应力/应变的不一致性。–可模拟破片战斗部自然破片的质量和尺寸空间分布情况。随机失效一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)•Mott应变失效分布：–P是失效概率–C和γ是常数随机失效γεCP=1-exp-eγ•由用户定义•C通过计算得到•分布类型：–Fixed–每一时刻相同–Random-任意•可用于许多材料的失效模型γ失效概率失效应变一般问题的分析步骤－第二步定义材料(续)破片分析选材总结－状态方程总结•活性各向同性固体/气体(高能炸药、燃烧粉末、反应气体等等……)–爆炸•以相同速度爆炸：JWL状态方程•爆轰的开始和传播与当地材料情况有关：Lee-Tarver状态方程–爆燃过程•多孔：SlowBurn+Compaction固体状态方程、用户定义状态方程•无孔：SlowBurn+Linear固体状态方程，用户定义状态方程选材总结－状态方程总结•惰性各向异性固体(复合材料、包金箔材料等)；–小压缩(1%)：OrthotropicwithLinear状态方程–大压缩(1%)：OrthotropicwithPolynomial或Shock状态方程•其它用户自定义。选材总结－强度模型总结•惰性气体：None•惰性各向同性固体(金属、聚合物、混凝土、地质材料等)–应变率依赖弹性：Viscoelastic–应变率不依赖弹性(无塑性)：Elastic–弹塑性材料•没有硬化：vonMises•应变硬化、应变率敏感、熔化：Johnson-CookSteinberg-Guinan、Zerilli-Armstrong、Piecewise-JC–弹性易碎材料•仅仅压强硬化：Druker-Prager、Mo-Granular•无孔：Johnson-Holmquist•有