3.3材料模型种类及参数

Viscoelastic 模型
3.3 材料模型种类及参数
各向 同 性
正交各向异性
3.3 材料模型种类及参数
名称
灰、白口铸铁 球墨铸铁 碳钢 合金钢 铸钢 硬铝合金 冷拔黄铜 轧制纯铜 轧制锌 轧制铝 铅
常用材料的弹性模量及泊松比
弹性模量E/ GPa
115～160 151～160 200～220
210 175 71 91～99 110 84 69 17
经典双线性随动硬化（BKIN） 经典双线性各向同性硬化（BISO） 与温度有关的双线性各向同性
3.3 材料模型种类及参数
主应力空间中的Mises屈服准则
等向强化屈服面变化
随动强化屈服面变化
3.3 材料模型种类及参数
混合强化屈服面变化
3.3 材料模型种类及参数
经典双线性随动硬化（BKIN） 采用两个斜率（弹性斜率和塑性斜率）描述材料应力与应变特征
课程回顾
薄壳单元建模注意事项
3.3 材料模型种类及参数
a）n=0.1
b）n=0.2
c）n=0.3
d）n=0.4
不同硬化指数时的胀形高度图
3.3 材料模型种类及参数
材料的力学性能（或机械性能）指标为：
弹性指标：
弹性模量E:
b
材料抵抗弹性变形的能力 ys
b
y
es
k
p
强度指标：
E
1
屈服强度ys -材料发生屈服
=F/A=Fl /A0 l 0=(F/A0)[(l 0+ l )/ l 0]=S(1+e) >S
e=ln(1+e)=e-e2/2+e3 /3- … <e
误差：
( S) e
S
；
(e e ) e
e2
一般工程问题：e<0.01 误差小， 二者可不加区别
3.3 材料模型种类及参数
1)线弹性模型: =Ee (<b；或<ys)
切变模量G/ GPa 45 61 81 81
70-84 27
35-37 40 32
26-27 7
泊松比μ
0.23～0.27 0.25～0.29 0.24-0.28 0.25～0.3 0.25～0.29
0.32～0.42 0.31～0.34
0.27 0.32～0.36
0.42
各向 异 性
3.3 材料模型种类及参数
3.3 材料模型种类及参数应力 e
真应力、真应变
b
工程应力S、工程应变e:
l0
l ys
S-e
S=F/A0 ；e=l/l0 =(l-l0 )/l0 l
dl
真应力、ຫໍສະໝຸດ Baidu应变e：
F
o 均匀变形 应变
F/A
e de l dl ln( l ) ln l0 l ln(1 e)
l l0
l0
l0
关系： 均匀变形，假定体积不变，A0 l 0=A l，则有：
20 e (%)
脆性材料无ys, 无颈缩， 强度指标b。 延性材料可以没有屈服平台，名义屈服
0.2
强度0.2为产生0.2%塑性应变时的应力。
弹性阶段--e间也可有非线性关系。
0 ep= 0.2% e
3.3 材料模型种类及参数
锰钢 硬铝 球铁 青铜 拉伸 曲线
16Mn、A3钢拉伸曲线
灰铸 铁、 玻璃 钢、 拉伸 曲线
3.3 材料模型种类及参数
材料模型选择要点 ➢ 对于每种单元，要参考单元手册选择材料模； ➢ 对于每种材料模型，并非所有参数与选项都要输入； ➢ 定义材料属性时，确保使用单位制一致，不正确的单 位制不仅会影响材料相应，而且影响接触刚度的计算; ➢ 多查材料手册，尽量获取准确的材料数据。
3.3 实例操作与作业
1Cr18Ni9Ti板材力学性能
σs
σb
EK
(MPa) (MPa) (GPa) (MPa)
n
206 539 200 980 0.35
3.3 实例操作与作业
课程回顾
有限元网格分类
空间 边界形状
一维 二维 三维 线性单元 二次单元
课程回顾
Ansys网格划分步骤
定义单元类型
定义单元属性
定义网格生成控制 生成网格
定义单元属性
实常数 材料特性
课程回顾
网格数量 模型建模方法 网格划分影响因素 网格畸形 网格布局 网格走向
避免尖角
网格划分注意事项
单元疏密过渡 混合网格划分实体 略去结构细节
双线性随动应化材料模型
3.3 材料模型种类及参数
经典双线性各向同性硬化（BISO）
3.3 材料模型种类及参数
与温度有关的双线性各向同性
3.3 材料模型种类及参数
与应变速率有关各向同性材料
随动塑性材料模型 Rate Dependent材料模型 Powerlaw材料模型
3.3 材料模型种类及参数
d
泊松效应:
x
材料沿加载方向伸长/缩短的同时，
zL
在垂直于加载方向发生的缩短/伸长现象。
沿载荷方向（纵向）的应变: e1=L/ L0 ; 垂直于载荷方向（横向）的应变：e2=(d-d0)/d0=-d/d0
泊松比: 横向与纵向应变之比的负值。 =-e2/e1.
3.3 材料模型种类及参数
聚碳酸酯屈服应力与温度、应变速度之间关系 6061 T4 铝合金成形极限图(电液成形)
初始屈服 应力
弹性模量
4140不同应变速率时的材料参数
0.0
0.08
0.16
0.4
207e6
250e6
275e6
290e6
209e9
211e9
212e9
215e9
1.0 300e6 218e9
LCID1 初始屈服应力－等效应变速率关系曲线 LCID2 弹性模量－等效应变速率关系曲线 LCID3 切线模量－等效应变速率关系曲线 LCID4 Von Mises等效应力与等效应变速率关系曲线
主要内容
了解ANSYS/LS-DYNA材料模型 掌握特定材料模型的应用 ANSYS网格划分方法及特点 学会定义材料模型各参数属性
3.3 材料模型种类及参数
自定义材料模型
应力应变曲线的输入； 应力应变曲线的添加； 应力应变的列表； 应力应变的显示；
材料应力与应变曲线
0 0.05 0.1 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0 206 302 341 363 384 396 407 417 420
k — 强化系数，
n — 硬化系数
3.3 材料模型种类及参数
应变率相关的塑性模型 Strain Rate Dependent Plasticity Model
0 — 初始屈服应力 e — 等效应变率
e
eff p
—
等效塑性应变
。
Eh
EE ta n E Etan
3.3 材料模型种类及参数
应变速率
随动塑性材料模型 是各向同性和随动硬化的混合模型
c、p是应变常数
3.3 材料模型种类及参数
幂指数塑性模型 Power Law Plasticity Model
e — 应变速率，
C 和 P — Cowper-Symonds应变率参数，
e e — 即将屈服时的弹性应变，
e eff p
— 等效塑性应变，
o
k' e
极限强度b -材料发生破坏
塑性指标： 延伸率 和/或 面缩率。
3.3 材料模型种类及参数
1) 不同材料的拉伸—e曲线
(MPa) 16Mn
500
A3钢 200 (Q235)
(MPa) 500 灰铸铁
200
玻璃钢
(MPa)
500
铝合金
球墨铸铁
200
青铜
0 10 20 e (%) 0 0.5 1 e (%) 0
2)非线性弹性模型: =ken (<b；或<ys)
3.3 材料模型种类及参数
3)理想刚塑模型：
忽略弹性变形，也不考虑应变硬化。
当<ys时， 当e>0时，
e=0 =ys
(ys)
4)理想弹塑性模型：
线弹性+理想塑性。 当 eeys 时, =Ee 当 e>eys 时, =ys=Eeys (ssys)
3.3 材料模型种类及参数
3.3 材料模型种类及参数
率敏感幂指数塑性模型 Rate Sensitive Power Law Plasticity Model
3.3 材料模型种类及参数
刚体模型 用刚体模型定义有限元模型中刚硬部分可以大大缩减分析
计算时间，这是由于定义刚体后，刚体内所有自由度都耦合到 刚体质量中心，不论定义多上个节点，刚体仅有六个自由度。
3.3 材料模型种类及参数
用命令定义材料模型
材料模型
线性 非线性 结合状态方程定义 离散单位模型 刚性材料
材料模型
弹性材料 非线无弹性材料 泡沫材料 状态方程 刚性材料
3.3 材料模型种类及参数
弹性材料
线弹性 非线弹性
各向 同 性 正交各向异性 各向 异 性 流体 弹 性
Blatz-Ko模型 Mooney-Rivlin模型
C11 C12 C13 C14 C15 C16
C 22
C23
C 24
C 25
C 26
C
C33
C34 C 44
C35 C 45
C36 C 46
C55
C56
C66
矩阵常数可由（Ex，Ey， Gxy， Uxy）换算得到
3.3 材料模型种类及参数
流体弹性 主要用于模拟动态冲击下的盛满流体的容器
3.3 材料模型种类及参数
延性材料:
压缩与拉伸的-e曲线 关于原点对称。
有基本相同的E、ys。 材料愈压愈扁，往往测 不出抗压极限强度。
脆性材料： 拉、压缩机械性能常常有较大的 区别，抗压极限强度bc>>抗拉极限强度bt。 如铸铁、混凝土、石料等。
3.3 材料模型种类及参数
y
泊松(Poisson)比
Bulk Modulus
K
E
3(1 2 )
3.3 材料模型种类及参数
BLatz-Ko模型
Mooney Rivlin模型
C01和C10为M — R常数
3.3 材料模型种类及参数
非线性无弹性材料模型
与应变速率无关的各向同性材料 与应变速率有关的各向同性材料 与应变速率有关的各向异性材料
与应变率无关的各向同性