第八讲 材料模型
第八讲 材料模型
型一样
Strength
Failure
AUTODYN附加材料模型
Ideal Gas 状 态方程
正交各向异性材料
正交各向异性实体
Two Phase 状 态方程 SESAME 表格
累积损伤模型
复合壳
高能炸药 (HE)
Beam 强化模型
破片分析
爆炸 爆轰产物(气体) 燃烧效应 点火和增长
刚性材料
用来定义刚性体 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
• 例子: 3D 斜侵彻
正交各向异性材料
层状复合壳
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 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
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模量 定义压缩起爆
材料模型
双线性随动强化（BKIN）
双线性等向强化（BISO）
多线性随动强化（MKIN）
多线性等向强化（MISO）
双线性随动强化（Bilinear Kinematic Hardening Plasticity）、双线性等向强化（Bilinear Isotropic Hardening Plasticity）均属于双线性模型。
双线性模型通过两个直线段来模拟弹塑性材料的本构关系，即认为材料在屈服以前应力—应变关系按照弹性模量成比例变化，屈服以后，按比弹性模量小的另一个模量（切线模量）变化。
模型有两个斜率：弹性斜率和塑性斜率。
有限元培训机械培训群：316349209
对于服从Mises屈服准则，初始为各向同性材料的小应变非线性问题，一般采用双线性随动强化模型，这种材料包括大多数的金属材料。
而对于初始各向同性材料的大应变问题则采用等向强化模型。
需要输入的常数是屈服应力sy和切向斜率ET。
（理想弹塑性材料ET＝0）。
第八讲-车身结构分析汽车碰撞安全
采用四舍五入的方法保留到小数点后两位。
腹部评分
1
该部位最高得分为 4 分，最低得分为 0 分。假
人腹部得分通过测量假人相关指标而产生，其评价指
标为腹部力，其对应最高分为 4 分，采用高性能限值和
低性能限值来计算。
2 高性能限值： 腹部力
1.0kN低性能限值： 腹部力
2.5kN
大小腿评分
1、大腿
1高性能限值：大腿压缩力 3.8kN； #
量不超出127mm
前视
侧视
抗压传递路线图
车门铰柱静力强度测试
按照国标GB15086-2013规定
1 车门铰柱可承受11000N的纵向载荷，铰柱机构不脱开； 2 车门铰柱可承受9000N的垂直向载荷，铰柱机构不脱落。
车顶抗压强度
对汽车碰撞性能提出的要求
翻滚试验示意图：台车
对汽车碰撞性能提出的要求
我国参照欧洲的ECE R94法规制定了国家强制标准GB 11551-2003 《乘用车正面碰撞的乘员保护》
GB 11551-2003
40%正面碰撞
(1) 试验车辆 40%重叠正面冲击固定可变形吸能壁 障。碰撞速度为 63~65km/h;
(2) 偏置碰撞车辆与可变形壁障碰撞重叠宽度应在 40%车宽±20mm 的范围内。
(1)移动台车前端加装可变形吸能壁障冲击试验车辆 驾驶员侧，移动壁障行驶方向与试验车辆垂直，移动壁 障中心线对准试验车辆R 点，碰撞速度为（试验速度 不得低于 50km/h）；移动壁障的纵向中垂面与试验车 辆上通过碰撞侧前排座椅R 点的横断垂面之间的距离应 在±25mm内。
（2）在驾驶员位置放置一个EuroSID II 型假人, 用以 测量驾驶员位置受伤害情况。在第二排座 椅被撞击侧放置SID-IIs（D 版）假人，用以测量第二 排人员受伤害情况。（详见第四章规定的碰 撞试验方法）
材料本构模型
材料本构模型材料本构模型是指用来描述材料行为的数学模型，它是材料力学研究的基础。
材料本构模型的选择对于材料力学分析和工程设计具有重要意义。
在工程实践中，我们常常需要根据材料的本构特性来选择合适的材料，预测材料的性能，以及进行结构的强度和稳定性分析。
因此，了解材料本构模型的基本原理和应用是非常重要的。
材料本构模型的基本原理是通过建立材料应力与应变之间的关系来描述材料的力学行为。
在材料力学中，通常将材料的本构行为分为线弹性、非线弹性和塑性等不同阶段。
不同的材料在不同的应力和应变条件下会呈现出不同的本构行为，因此需要针对不同的材料和工程问题选择合适的本构模型。
常见的材料本构模型包括弹性模型、塑性模型、粘弹性模型等。
弹性模型是最基本的材料本构模型，它描述了材料在弹性阶段的应力-应变关系。
在弹性阶段，材料的应力与应变呈线性关系，可以通过弹性模量来描述。
当材料受到超过一定限度的应力时，就会进入非线性阶段，这时就需要采用塑性模型或者其他非线性模型来描述材料的本构行为。
除了弹性模型和塑性模型，粘弹性模型也是材料力学中常用的本构模型之一。
粘弹性模型描述了材料在受到应力作用时会出现的时间依赖性和历史依赖性。
这种模型常用于描述高分子材料、土壤和生物材料等具有粘弹性特性的材料。
在工程实践中，我们需要根据具体的材料特性和工程问题选择合适的本构模型。
有时候，为了简化分析，我们会采用简化的本构模型来描述材料的力学行为。
但是需要注意的是，简化的本构模型可能会忽略一些重要的材料特性，导致分析结果的不准确性。
因此，在工程设计中，选择合适的本构模型是非常重要的。
总之，材料本构模型是材料力学研究的基础，它对于材料的力学行为和工程设计具有重要意义。
了解不同的材料本构模型的基本原理和应用是非常重要的，可以帮助我们更好地选择材料、预测材料性能，以及进行结构的强度和稳定性分析。
希望本文能够对材料本构模型有所帮助，谢谢阅读！。
结构计算常用材料模型
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剪切模量是指剪切应力与剪切应变之比。剪切模量G=剪切弹性模量G=切
变弹性模量G；材料的基本物理特性参数之一，与杨氏（压缩、拉伸）弹性模
量E、泊松比V并列称为材料的三项基本物理特性参数，在材料力学、弹性力学
中有广泛的应用。
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4.Engineering Data 模块
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Aluminum Alloy:铝合金；Concrete:混泥土; Copper Alloy:铜合金; Gray Cast Iron:灰口铸铁; Magnesium Alloy:镁合金; Polyethylene: 聚乙烯; Silicon Anisotropic:各向异性硅; Stainless Steel:不锈钢; Structural Steel:结构钢; Titanium Alloy:钛合金
试件拉断为止，试验机的绘图装置会把试件所受的拉力F与试件的拉
长量△l之间的关系自动记录下来，绘出一条曲线F- △l曲线，称为
拉伸图。
除去尺寸因素，变
为应力-应变曲线，
即
曲线
2.应力-应变曲线
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将试件装卡在材料试验机上进行常温、静载拉伸试验，直到把
第一阶段——弹性变形阶段（曲线ob段）。
在此阶段任一时刻时，将载荷慢慢减少（称卸载）为零，变形会消 失。B点对应的应力称材料的弹性极限。即材料处于弹性变形阶段
材料力学通常研究的模型
材料力学通常研究的模型材料力学是研究材料在外力作用下的变形和破坏行为的学科。
在材料力学领域，研究者通常使用各种模型来描述材料的力学性质和行为。
这些模型可以帮助我们理解材料的力学行为，并为工程设计和材料选择提供依据。
弹性模型是材料力学中最基本的模型之一。
它假设材料在外力作用下会发生弹性变形，即在去除外力后能够恢复到初始状态。
弹性模型通常使用胡克定律来描述材料的弹性行为。
胡克定律表明，当外力对材料施加一个小的变形时，材料的应力与应变之间的关系是线性的。
这个模型在很多工程应用中都非常有用，例如弹簧和橡胶等弹性材料的设计。
除了弹性模型，塑性模型也是材料力学研究中常用的模型之一。
与弹性模型不同，塑性模型描述的是材料在外力作用下发生永久变形的行为。
在塑性模型中，材料的应力-应变关系是非线性的。
塑性模型可以帮助我们理解金属的塑性变形行为，以及材料的屈服和硬化等特性。
除了弹性和塑性模型，材料力学还研究了许多其他的模型，例如粘弹性模型和断裂模型等。
粘弹性模型结合了弹性和粘性两种行为，用于描述某些特殊材料的力学行为。
断裂模型研究材料在外力作用下发生断裂的行为，以及预测材料的断裂韧性和破坏模式。
除了这些基本的模型外，材料力学还使用了一些复杂的模型来描述材料的特殊行为。
例如，材料的疲劳行为可以使用疲劳模型来描述，材料的接触行为可以使用接触模型来描述。
这些模型在材料力学研究和工程应用中起到了重要的作用。
材料力学通常研究的模型包括弹性模型、塑性模型、粘弹性模型、断裂模型等。
这些模型可以帮助我们理解材料的力学行为，并为工程设计和材料选择提供依据。
在实际应用中，根据具体情况选择合适的模型可以更好地预测材料的力学行为，从而提高工程的安全性和可靠性。
材料课程设计模型
材料课程设计模型一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握材料力学的基本概念、原理和分析方法，培养学生解决实际工程问题的能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解材料力学的基本概念和原理，如应力、应变、弹性模量等。
（2）掌握材料力学的基本分析方法，如平衡法、能量法、滑移线法等。
（3）熟悉常用工程材料的力学性能，如金属、混凝土、塑料等。
2.技能目标：（1）能够运用材料力学的基本原理和分析方法解决实际工程问题。
（2）具备一定的实验操作能力，能熟练使用实验设备和仪器。
（3）具备较强的论文撰写能力，能够撰写学术论文或报告。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生对材料力学的兴趣和好奇心，激发学生的学习热情。
（2）培养学生严谨的科学态度，提高学生的综合素质。
（3）培养学生团队协作精神，增强学生的沟通与协作能力。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.材料力学基本概念和原理：应力、应变、弹性模量等。
2.材料力学基本分析方法：平衡法、能量法、滑移线法等。
3.常用工程材料的力学性能：金属、混凝土、塑料等。
4.工程实例分析：结合实际工程问题，运用材料力学知识进行分析。
5.实验教学：安排一定的实验课时，让学生动手操作，加深对理论知识的理解。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程采用多种教学方法相结合的方式，包括：1.讲授法：系统讲解材料力学的基本概念、原理和分析方法。
2.讨论法：学生分组讨论，培养学生的思考和表达能力。
3.案例分析法：结合实际工程案例，让学生运用所学知识进行分析。
4.实验法：安排实验课程，让学生动手操作，提高实践能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学，我们将采用以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的教材，为学生提供系统的理论知识。
2.参考书：推荐学生阅读相关参考书，丰富学生的知识体系。
3.多媒体资料：制作精美的PPT，辅助课堂教学。
4.实验设备：为学生提供实验所需的设备和安全防护用品。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果，本课程采用以下评估方式：1.平时表现：通过课堂提问、讨论、实验操作等方式，记录学生的平时表现。
材料结构模型抽象表达文本解释整体比较
材料结构模型抽象表达文本解释整体比较材料结构模型是用来描述材料内部结构和特性的理论模型。
通过构建这些模型，研究人员能够更好地理解材料的性质和性能，以及改善和优化材料的设计。
在材料科学和工程领域中，有许多种不同的结构模型被用来描述不同类型的材料，包括晶体结构模型、分子结构模型以及非晶态材料的结构模型等。
本文将对这些结构模型进行解释并进行整体比较。
晶体结构模型是描述晶体内部结构的模型。
晶体由原子、分子或离子构成，其排列规则和周期性决定了晶体的性质。
晶体结构模型主要包括布拉维格子模型、球面堆积模型、点阵模型等。
布拉维格子模型将晶体看作是由无限的、相同的基本单元按照特定的排列规则无限重复构成的。
球面堆积模型则是通过排列规则描述了球形颗粒的堆积方式，包括最密堆积和面心立方堆积等。
点阵模型则是描述晶体内部原子或离子排列规律的几何模型，常见的包括简单立方点阵、面心立方点阵和体心立方点阵等。
分子结构模型主要用于描述分子间相互作用和结构的模型。
分子结构模型主要包括分子轨道模型、键模型、分子动力学模型等。
分子轨道模型是通过计算分子内部原子轨道的线性组合得到分子轨道，用于描述分子的电子分布和性质。
键模型则是通过描述分子中原子之间的共价键和键的性质来描述分子的结构。
分子动力学模型则是通过数值模拟和计算来研究分子的运动和相互作用，可以用于预测分子的性质和行为。
非晶态材料的结构模型用于描述非晶态材料内部的无序排列和结构特点。
非晶态材料缺乏长程有序性，其结构不具备晶体的周期性和规则性。
非晶态材料的结构模型主要包括随机网络模型、紧密堆积模型等。
随机网络模型假设非晶态材料具有无规则的网络结构，在这种模型下，原子或分子之间的排列没有明显规律。
紧密堆积模型则是适用于描述某些非晶态材料中原子或分子的紧密堆积和无序排列。
对于不同类型的材料，选择适合的结构模型能够更好地了解和解释材料的性质和行为。
实际上，同一种材料可能会使用多种不同的结构模型来进行描述和解释，根据所关心的性质和研究问题的不同，研究者可能会选择不同的模型。
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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 AUTODYN提供水的饱和曲线
压力 气体区域
材料饱和曲线可以再用户子程序 EXTAB中定义
流体区域
两相区域 流体和气体 比容
Sesame 库
14000 12000
700 600
Pressure (KPa)
10000 8000 6000 4000 2000 0 0.0 0.1 0.2 0.3
TNT + additional Energy TNT
500
Impulse (Pa S)
400 300 200
TNT + additional energy TNT
材料方向
正交各向异性材料
例子: 鸟撞机翼 (机翼使用复合壳)
高能炸药
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 JWL 状态方程 (Jones, Wilkins, Lee)
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
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
正交各向异性屈服 正交各向异性软化
正交各向异性 状态方程
正交各向异性材料
使用固体单元描述正交各向异性材料
压层复合材料
第八讲
材料模型
显式动力学 (ANSYS)中的材料模型
AUTODYN
Equation of State
Strength Model
Failure Model
AUTODYN 材料模型
AUTODYN 材料模型包含三 个部分 和显式动力学(ANSYS)中的模
状态方程 (EOS) 强度模型 失效模型 EOS
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shadow区域起爆时间的关键
高能炸药 – 起爆路径
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
JWL状态方程
高能炸药 – 爆炸产物的膨胀
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 log p 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：
可变性弹丸
刚性弹丸
刚性材料
例子:
金属板成型
刚性冲头和模具 非结构壳 (主四边形) 工 件
冲头 工件
模具
正交各向异性材料
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
爆炸产物的膨胀 (气体)
高能炸药 – 爆炸过程
时间起爆
爆炸发生在点或平面 (使用者定 Detonation Fronts 义) T2 爆轰波波前以爆速 D传播 T1 T1 开始燃烧 Cell T2结束燃烧 S1 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
= -T1, T<T1
= 燃烧分数, T>T1
S2
Initiation Node T1 = S1 / D T2 = S2 / D
单元变量 alpha
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
0.4
0.5
0.6
Time (ms)
100 0 0.0 0.1 0.2 0.3 Time (ms) 0.4 0.5 0.6
高能炸药
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:
R1 h
wh P A 1 R e 1
wh B 1 R e 2
R2 h
wre
log v
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
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
JWL 状态方程 – Miller Extension
或
等价的正交各向异性材料 - 只显示 单个体
2
3 1
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
C =
S = C-1 =
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
Polynomial Shock Porous
正交各向异性材料
正交各向异性塑性
怎么使用材料模型?
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 Sesame 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
累积损伤失效模型
Gas
慢燃炸药
Powder Burn模型
例子: 枪膛内发射带弹带 的弹丸
材料库
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
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
Numerical Cell of Volume V
固体相:
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
Linear/Compaction 状 Solid Particles 态方程 气体相: JWL/Exponential
刚性材料
用来定义刚性体 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
• 例子: 3D 斜侵彻
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
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
Beam强化模型
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
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
Lee-Tarver Ignition & Growth Model
例子: 冲击起爆
0.5 km/s