一文了解LS-DYNA复合材料分析

发布网友发布时间：2024-04-23 04:44

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热心网友时间：2024-04-23 07:59

在当今科技驱动的世界，复合材料因其轻质与高强度的特性，已经在航空航天和军事领域崭露头角。LS-DYNA，这款卓越的仿真工具，以其卓越的复合材料模拟能力，为工程师们提供了强大的支持。接下来，我们将通过层层深入，探索复合材料的定义、LS-DYNA中FRP（纤维增强塑料）的构建和铺层模型，以及内聚力单元、分层破坏模拟，以及材料坐标系的选择对仿真结果的影响。

复合材料根据增强材料结构，分为颗粒增强和纤维增强，其中又细分为连续和不连续两种形式。在LS-DYNA中，多层复合材料的建模方法包括高效但不模拟分层的壳单元技术（AOPT=0-2）和精细的分层建模，后者包括内聚力单元和共节点处理（AOPT小于0）。选择合适的材料坐标系至关重要，如Shell单元的AOPT选项有0、2、3，Solid单元则有0-4个选项，每个选项都代表了材料方向的不同设定。

通过设置TA值，可以利用*SECTION_SHELL_命令定义壳单元的积分点方向（ICOMP=1）。在部分复杂结构和发动机分析中，直接通过AOPT参数进行定义会更为简便。同时，前处理软件如LS-PrePost提供丰富的案例和视频，如Shell单元*MAT054的材料方向调整教程，以帮助用户更好地理解。

在材料方向的定义上，Vector、Rotate、Smooth和Map功能根据材料的几何特性调整单元材料方向。而对于Solid单元，*ELEMENT_SOLID_ORTHO用于定义方向。除了LS-PrePost，Ansys ACP同样能处理铺层和材料定义的细节。

LS-DYNA拥有300多种材料本构模型，涵盖各向异性、正交各向异性以及各种纤维类型的复合材料。连续纤维的失效模式有面内和面外，需要不同失效准则来精确描述。经典准则如最大应力/应变是一阶模型，考虑单向失效，而二阶模型如Tsai-Hill和Hoffman则考虑了多向耦合效应。更高级的Hashin、Chang-chang、Puck和LaRC准则考虑了更多失效模式，而Pinho模型则关注纤维扭结失效的模拟。

MAT_022基于Chang-chang准则，部分考虑了失效模式，但未包含纤维压缩和应变率效应。MAT_054则在此基础上，引入了应变率效应和压缩失效的折减，可通过修改参数切换为MAT_055，进一步区分纤维和基体的失效行为。MAT_054支持应变失效和失效时间步参数，以及多样的材料参数，包括弹性模量、泊松比等，以及Chang-Chang和Tsai-Wu等失效准则。

复合材料分析过程中，控制卡片OL_ACCURACY的INN参数设置对模拟精度至关重要，壳单元和实体单元的设置略有不同。使用NEIPH和NEIPS输出变量，以及CMPFLG=1以输出异质材料的应力-应变关系，有助于更深入理解材料行为。

分层破坏模拟是复合材料研究的焦点，常见于四点弯曲试验。LS-DYNA利用细观模型（如Contact或内聚力单元，如MAT_138、MAT_185、MAT_186）来模拟材料层间失效，内聚力单元的关键在于定义层间断裂韧性，具备多种失效模式。

LS-DYNA以其大变形处理能力、RVE边界条件和高效求解器，为复合材料的虚拟测试和参数标定提供了强大平台。新功能如RVE模型和深度学习驱动的模型，使得LS-DYNA在复合材料分析领域更为前沿。想要了解更多详情，可以通过Ansys官方热线或微信公众号获取，或关注2022年的LS-DYNA研讨会，作者董骁，作为Ansys高级应用工程师，深入分享了这一领域的最新进展。