ANSYS15.0显式动态分析材料模型入门

ANSYS/LS-DYNA包括40多种材料模型，它们可以表示广泛的材料特性，可用材料如下所示。括号内将列出与每种模型相对应的LS-DYNA材料号。

线弹性模型：

●各向同性（#1）。

●正交各向异性（#2）。

●各向异性（#2）。

●弹性流体（#1）。

●非线弹性模型。

●Blatz-koRubber（#7）。

●Mooney-RivlinRubber（#27）。

●粘弹性（#6）。

非线性无弹性模型：

●双线性各向同性（#3）。

●与温度有关的双线性各向同性（#4）。

●横向各向异性弹塑性（#37）。

●横向各向异性FLD（#39）。

●随动双线性（#3）。

●随动塑性（#3）。

●3参数Barlat（#36）。

●Barlat各向异性塑性（#33）。

●与应变率相关的幂函数塑性（#64）。

●应变率相关塑性（#19）。

●复合材料破坏（#22）。

●混凝土破坏（#72）。

●分段线性塑性（#24）。

●幂函数塑性（#18）。

●压力相关塑性模型

●弹-塑性流体动力学（#10）。

●地质帽盖材料模型（#25）。

泡沫模型：

●闭合多孔泡沫（#53）。

●粘性泡沫（#62）。

●低密度泡沫（#57）。

●可压缩泡沫（#63）。

●Honeycomb（#26）。

需要状态方程的模型：

●Bamman塑性（#51）Johnson-Cook塑性（#15）。

●空材料（#9）。

●Zerilli-Armstrong（#65）。

●Steinberg（#11）。

离散单元模型：

●线弹性弹簧。

●普通非线性弹簧。

●非线性弹性弹簧。

●弹塑性弹簧。

●非弹性拉伸或仅压缩弹簧。

●麦克斯韦粘性弹簧。

●线粘性阻尼器。

●非线粘性阻尼器。

●索（缆）（#71）。

刚性体模型：

●刚体（#20）。

用户可以采用ANSYS命令MP，MPTEMP，MPDATA，TB，TBTEMP和TBDATA以及ANSYS/LS-DYNA命令EDMP来定义材料模型。通过GUI路径定义材料模型比使用命令直接得多：

●选择菜单路径Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models.Define Material Model Behavior对话框出现。

注意，如果不事先定义ANSYS/LS-DYNA单元类型，那么就不能定义ANSYS/LS-DYNA材料模型。

●在MaterialModelsAvailable窗口的右侧，双击LS-DYNA，然后选择一种材料模型种类：线性、非线性、状态方程、离散单元特性或刚体材料。

●双击一种材料的子目录。例如，在非线性材料中，有弹性、非弹性和泡沫材料模型。

●双击下面的材料分类直到数据输入对话框出现。框中的选项包括所有的材料模型，它对所选的材料模型都有效。

●输入所需的值，单击OK按钮。然后在Materials Models Defined窗口左边就列出了材料模型的类型和号码。

●然后用户可以双击Materials Models Defined窗口左边的材料模型使相关数据对话框出现。这样就可以修改其值。然后单击OK按钮。

用户可以选择Edit＞Copy并指定新模型号来复制现有材料模型的内容，复制的材料模型以新模型号列在MaterialsModelsDefined窗口左侧，其内容与源材料模型内容相同。

单击模型号选定它，然后选择Edit＞Delete，可以删除材料模型。

如果用户通过GUI路径来定义、修改、复制或删除材料模型，ANSYS将自动发出正确命令并将其写入log文件中。

当采用交互工作方式时，所有材料模型的可用特性都出现在材料模型对话框中。当使用批处理或命令流方式时，相应的命令都提供在这里。要保证定义材料属性为模型列出的，不要定义与模型无关的数据。

各向同性弹性模型。使用MP命令输入所需参数：

●MP，DENS——密度。

●MP，EX——弹性模量。

●MP，NUXY——泊松比。

正交各向异性弹性模型。用MP命令输入所需参数：

●MP，DENS——密度。

●MP，EX——弹性模量（EY，EZ）；需一值。

●MP，NUXY——从泊松比（NUXY，NUXZ）；需一值。

●MP，PRXY——主泊松比（PRYZ，PRXZ）；需一值。

●MP，GXY——剪切模量（GYZ，GXZ）；需一值。

当仅给定一个值时（如EX）其他值将自动定义（EY=EZ=EX）。用EDLCS和EDMP，ORTHO命令定义材料坐标系统。如果没有给定材料坐标系统，材料特性将单元的I，J，L节点定义的材料轴保持正交各向异性。对于多层复合壳，用TB，COMP命令代替，并作为SHELL163单元实常数给定层性质。

各向异性弹性模型的描述需要全弹性矩阵。由于其对称性，仅需21种常数。这种材料仅对SOLID164单元和PLANE162单元有效（轴对称和平面应变问题）。

用MP命令输入密度。用TB，ANEL命令以上三角形式输入常数。用EDLCS和EDMP，ORTHO命令定义材料方向轴。如果没有定义材料坐标系，材料性质将与单元的I、J、L节点所定义的材料轴保持正交各向异性。

●MP，DENS——密度。

●TB，ANEL。

●TBDATA，1，C11，C12，C22，C13，C23，C33。

●TBDATA，7，C14，C24，C34，C44，C15，C25。(www.xing528.com)

●TBDATA，13，C35，C45，C55，C16，C26，C36。

●TBDATA，19，C46，C56，C66。

当用户使用TBLIST显示材料类型的数据信息时，这些常数以下三角形式[D]出现而不是上三角形式[C]。这一矛盾不是计算错误；材料数据已准确传递给LS-DYNA程序。

弹性流体模型用于模拟动态冲击载荷作用下盛满流体的容器。可以用MP命令输入密度（DENS），用EDMP命令定义材料模型为弹性流体：

MP，DENS。

EDMP，FLUID，MAT，VAL1。

流体模型要求指定体积模量，可以在上述命令的VAL1域输入。除了使用EDMP外，用户也可用MP命令输入弹性模量（EX）和泊松比（NUXY）。然后程序将计算体积模量如下所示：

MP，EX

MP，NUXY

如果VAL1（EDMP内）、EX和NUXY都指定了，VAL1将用作体积模量。

Blatz-ko弹性橡胶模型使用第二类Piola-Kirchoff应力：

式中，G是剪切模量；V是相对体积；v是泊松比；C_ij是右柯西-格林应变张量；δ_ij是Kronecker delta。用MP命令输入密度（DENS）和剪切模量（GXY）。

不可压缩橡胶模型。它与ANSYS的Mooney-Rivlin 2参数模型很相似。输入C₁₀，C₀₁来定义应变能量密度函数：

I₁，I₂和I₃是右柯西-格林张量不变量。

用MP命令输入泊松比（v）和密度（泊松比的值要比推荐的大一些，太小的值不能工作）。用TB和TBDATA命令输入Mooney-Rivlin常数，只允许一种温度下的数据，并且必须放在数据表中的1和2位置。

如果不直接输入C₀₁和C₁₀，可以设这些常数为0，然后用载荷曲线提供表格式单轴数据。程序将根据TBDATA命令的3～6项所输入的实验数据来计算这些常数。使用这种输入法，必须设TB命令的TBOPT=2：

提供单轴数据的载荷曲线应使测量长度随相应力的变化而变化。在压缩中，力和长度变化须为负值。在拉伸中，力和测量长度变化须为正值。单轴方向的主拉伸比λ₁由下式给出：

式中，L₀是初始长度；L是实际长度。

或者可以通过设定测量长度、设置厚度和宽度为1.0，并且在测量长度变化处定义工程应变以及在有作用力的地方定义名义（工程）应力，从而输入应力-应变曲线。

在ANSYS/LS-DYNA求解的初始阶段，用最小二乘法来处理输入的实验数据。

Herrmann和Peterson提出的线性粘弹性模型采用偏量特性：

这里剪切松弛模量由下式给出：

在模型中，由体积V计算增量积分压力时，需事先进行弹性体积假设，即V：p=K。用参数G_∞、G_∞、K（体积模量）和β来定义线粘弹性模型。用TB，EVISC和TBDATA命令的46、47、48和61项输入以上数据：

注意，对于这种材料选项，必须用MP命令定义密度（DENS）。

双线性各向同性模型使用两种斜率（弹性和塑性）来表示材料应力应变行为的经典双线性各向同性硬化模型（与应变率无关）。仅可在一个温度条件下定义应力应变特性（也有温度相关的本构模型；参看Temperature Dependent Bilinear Isotropic Model）。用MP命令输入弹性模量（Exx），泊松比（NUXY）和密度（DENS），程序用EX和NUXY值计算体积模量（K）。用TB和TBDATA命令的1和2项输入屈服强度和切线模量：

与温度相关的双线性各向同性模型是应变率无关，用两种斜率（弹性和塑性）来表示材料应力应变特性的经典双线性各向同性硬化模型。可以在6个不同的温度下定义应力应变行为。如果仅在一个温度下定义应力应变行为，就需假定双线性各向同性材料模型（与应变率和温度无关）。可以通过输入较大的屈服强度值来以该模型、表热-弹性材料。

用MP命令输入密度（DENS）（温度无关）。用MPTEMP和MPDATA输入弹性模量（Exx）、泊松比（NUXY）和热胀系数（ALPX）（这些特性和温度有关）。用TB，BISO，，NTEMP、TBTEMP以及TBDATA命令的1和2项输入屈服强度和切线模量。屈服强度和切线模量必须相对于同一温度定义，在MPTEMP命令中输入。

注意，对于这些材料模型，必须提供足够范围的温度数据，使之能够覆盖分析中的实际温度。否则，分析将会终止。

横向各向异性硬化模型是仅供壳单元和二维单元使用的全迭代各向异性塑性模型。在此模型中，由HILL给出的屈服函数在平面应力情况下简化。

应力应变仅定义在一个温度下。用MP命令输入弹性模量（Exx），密度（DENS）和泊松比（NUXY）。用TB，PLAW，，，，7和TBDATA命令的1～4项输入屈服应力，切线模量，各向异性硬化参数以及有效屈服应力相对于有效塑性应变的载荷曲线ID号：

横向各向异性FLD硬化模型用于模拟各向异性材料的板料成形。仅考虑横向各向异性材料。对于此模型，可以用定义的载荷曲线来模拟流动应力和有效塑性应变的关系（EDCURVE）。另外，也可以定义成形极限图（也可用EDCURVE）。

这一塑性模型仅在壳单元和二维单元中使用。这一模型遵循前边所述的横向各向异性弹塑性模型所介绍的塑性理论。理论基础可参考该模型。

使用横向各向异性FLD模型，需用MP命令输入密度（DENS），弹性模量（Exx）和泊松比（NUXY）。如下所示，可以用TB，PLAW，，，，10和TBDATA命令中的1～5项定义其他参数。

双线性随动模型是（与应变率无关）经典的双线性随动硬化模型，用两个斜率（弹性和塑性）来表示材料的应力应变特性。用MP命令输入弹性模量（Exx），密度（DENS）和泊松比（NUXY）。可以用TB，BKIN和TBDATA命令中的1～2项输入屈服强度和切线模量：

塑性随动模型是各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型，与应变率相关，可考虑失效。通过在0（仅随动硬化）和1（仅各向同性硬化）间调整硬化参数来选择各向同性或随动硬化。应变率用Cowper-Symonds模型来考虑，用与应变率有关的因数表示屈服应力。

应力应变特性只能在一个温度条件下给定。用MP命令输入弹性模量（Exx），密度（DENS）和泊松比（NUXY）。用TB，PLAW，，，，1和TBDATA命令中的1～6项输入屈服应力，切线斜率，硬化参数，应变率参数C和P以及失效应变：

如下所示，可以用TB，PLAW，，，，10和TBDATA命令中的1～5项定义其他参数。

参数Barlat模型是由Barlat Lian提出的各向异性塑性模型，用于平面应力条件下的铝质薄板模型。使用了指数和线性硬化法则。用MP命令输入弹性模量（Exx），密度（DENS）和泊松比（NUXY）。硬化准则类型HR（线性为1或指数为2），切线模量（HR=1）或屈服系数（HR=2），屈服应力（HR=1）或硬化系数（HR=2），Barlat指数，m，厚度和宽度方向的应变比以及正交各向异性材料轴，用TB，PLAW，，，，3和TBDATA命令的1～10项输入。

Barlat各向异性塑性模型是由Barlat，lege和Berm发展的各向异性塑性模型，用于模拟成形过程的材料特性。

应变率敏感的幂函数式塑性模型是与应变率相关的塑性模型，主要用于超塑性成形分析，该模型遵循Ramburgh-Osgood本构关系。

应力-应变关系只能定义于一个温度下。用MP命令输入弹性模量（EXX），密度（DENS）和泊松比（NUXY）。用TB，PLAW，，，，4和TBDATA命令的第1～4项定义材料常数、硬化系数、应变率敏感系数及初始应变率。

应变率相关各向同性塑性模型主要用于金属和塑性成形分析，在此模型中，载荷曲线用来描述初始屈服强度与有效应变率之间的函数关系。

应力-应变特性仅定义于同一温度下。用MP命令输入弹性模量（EXX）、密度（DENS）和泊松比（NUXY）。定义初始屈服应力和有效应变率的载荷曲线号，切线模量，定义弹性模量和有效应变率的载荷曲线号，定义切线模量和有效应变率的载荷曲线ID，定义VonMisess失效应力和有效应变率的载荷曲线号，用TB，PLAW，，，，5和TBDATA命令的第1～5项输入。对于壳单元，可在第6项中给定MnTime，取代第5项中的LCID4定义材料失效。MnTime为自动删除单元的最小步长。

复合材料破坏模型是由Chang&Chang发展的复合材料失效模型，模型采用如下5个参数：

●S1=轴向拉伸强度。

●S2=横向拉伸强度。

●S12=剪切强度。

●C2=横向压缩强度。

●α=非线性剪切应力参数。

所有参数均由实验确定，用MP命令输入弹性模量（Exx，Eyy，Ezz）、剪切模量（Gxy，Gyz，Gxz），密度（DENS）和泊松比（NUXY，NUYZ，NUXZ），压缩失效时的体积模量、剪切强度、轴向拉深强度、横向拉深强度、横向压缩强度以及非线性剪切应力参数用TB，COMP和TBDATA命令的第1～6项输入：

混凝土破坏模型用于分析承受混合冲击载荷的刚劲加强混凝土材料。这一模型要求混凝土和加强材料常数以及状态方程。用MP命令输入密度（DENS）和泊松比（NUXY）用TB，CONCR,，2命令和TBDATA命令的1～78项输入下列值：

分段线性塑性模型是多线性弹塑性材料模型，可输入与应变率相关的应力应变曲线。它是一个很常用的塑性准则，特别用于钢。采用这个材料模型，也可根据塑性应变定义失效。采用Cowper-Symbols模型考虑应变率的影响。

用MP命令输入弹性模量（Exx），密度（DENS）和泊松比（NUXY）。用TB，PLAW，，，，8和TBDATA命令的1～7项输入屈服应力、切线模量、失效的有效真实塑性应变、应变率参数C、应变率参数P、定义有效全应力相对于有效塑性真应变的载荷曲线ID以及定义应变率缩放的载荷曲线ID。

注意，如果采用载荷曲线LCID1，则用TBDATA命令输入的屈服应力和切线模量将被忽略。另外，如果C和P设为0，则略去应变率影响。如果使用LCID2，用TBDATA命令输入的应变率参数C和P将被覆盖。只考虑真实应力和真实应变数据。

幂函数塑性模型用于金属和塑性成形分析的与应变率有关的塑性模型。该模型提供各向同性硬化的弹塑性行为。并且它用一个包括Cowper-Symbols乘子的幂函数本构关系来描述应变率的影响。

用TB，PLAW，，，，2和TBDATA命令的1～4项输入强度系数、硬化系数和应变率参数C和P：

弹塑性流体动力学模型用于模拟承受大应变的材料，这里塑性特性可以由一系列数据点定义或屈服应力和切线模量定义。如果指定了有效真实塑性应变和应力值，应力应变特性可以由有效真实应力与真实塑性应变曲线的数据点定义。可以最多定义16个数据点。如果应变值超过了最大输入值，将使用线性插值；因此，需输入其他值来覆盖分析中所有的应变值。用MP命令输入密度（DENS）、弹性模量（EX）和剪切模量（GXY）。用TB，PLAW，，，，9和TBDATA命令的第1～45项输入下列参数：

用EDMP命令定义刚性体，例如，定义材料2为刚性体，执行：EDMP，RIGIS，2。用指定材料号定义的所有单元都认为是刚性体的一部分。材料号以及单元的单元类型和实常数类型号用来定义刚体的PARTID。这些PARTID用于定义刚性体的载荷和约束（如第4章所述，Loading）。刚体内的单元不必用连接性网格连接。因此，为了在模型中表示多个独立的刚性体。必须定义多个刚体类型。但是，两个独立刚体不能共同使用一个节点。

使用EDMP命令的同时，必须用MP命令定义刚体材料类型的杨氏模量（Ex），泊松比（NUXY）和密度（DENS）。必须指定实际的材料特性值，从而使程序能计算接触表面的刚度。基于此原因，在显动态分析中，刚性体不要用不切实际的杨氏模量或密度，刚体不能再变硬因为它已是完全刚硬的。

因为刚性体的质量中心的运动传递到节点上，所以不能用D命令在刚体上施加约束。刚体的一个节点上的约束和初始速度将转换到物体的质心。但是，如果约束了多个节点，就很难确定使用哪种约束。要正确在刚体上施加约束，使用EDMP命令的平移（VAL1）和转动（VAL2）约束参数域，表示如下：

VAL1-平移约束参数（相对于整体笛卡儿坐标系）。

0没有约束（默认）。

1约束X方向的位移。

2约束Y方向的位移。

3约束Z方向的位移。

4约束X和Y方向的位移。

5约束Y和Z方向的位移。

6约束Z和X方向的位移。

7约束X，Y，Z方向的位移。

VAL2-转动约束参数（相对于整体笛卡儿坐标系）。

0没有约束（默认）。

1约束X方向的旋转。

2约束Y方向的旋转。

3约束Z方向的旋转。

4约束X，Y方向的旋转。

5约束Y和Z方向的旋转。

6约束Z和X方向的旋转。

7约束X，Y和Z方向的旋转。

例如，命令EDMP，IGID，2，7，7将约束材料的刚体单元的所有自由度。