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。

• 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_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）

调整侵蚀单元有效塑性应变进行对比

*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：

• 重力设置：

1）定义重力曲线

2）重力加载

碰撞接触设置

• 边界约束：图示处固定约束

• 结束时间设置：

• 结果:

• 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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