ls-dyna知识（上）

本文摘要（由AI生成）：

本文讨论了在使用DYNA进行模拟时面临的一些挑战。首先，文章指出在施加压缩破坏准则时需要自定义关键字参数，因为DYNA在这方面几乎是空白。此外，混凝土材料的真实压缩强度难以确定。文章还提到了应力波的两种破坏形式：拉伸破坏和剪切破坏。在DYNA中，材料失效会导致自动删除，从而形成裂纹或破碎。负体积问题是另一个挑战，特别是在处理大变形材料时。文章提供了一些克服负体积问题的方法，如修改材料应力-应变曲线、调整初始网格、减小时间步缩放系数等。

一、关于dyna中材料失效准则的定义

   有些材料类型中有关于失效准则的定义，但是也有些材料类型没有失效准则的材料类型，这时需要额外的失效准则定义，与材料参数一块定义材料特性。需要用到 *mat_add_erosion关键字，对于这个关键字有几个需要注意的地方。

1、材料的通用性破坏准则：`

材料通常为拉破坏或者剪切破坏，静水压是以压为正，拉为负，所以静水压破坏就是给出最小的承受压力，当然需要小于0（即拉力），如果静水压小于该值，则材料破坏。相反，应力则是以压为负，拉为正，故最大主应力或最大等效应力或最大剪应力破坏等等都是给出最大的应力极限，当然大于0，如果拉应力大于该值，则材料破坏，无论是 *MAT_ADD_EROSION，还是材料内部自带的破坏准则还是其他软件，都遵循以上准则。

注意：屈服不是失效。

2、单元失效模拟的功能与目的

单元删除功能是为了克服有限元本身的缺陷而提出的一项方法，由于有限元本身是基于连续介质力学的，而在连续介质力学中，所研究的物体需要是连续的，既物质域在空间中连续。在这样的理论假设框架下，单元本身是不会消失的。然而在实际情况下，由于损伤断裂的存在，势必会使得一些单元消失或者完全的失效，所以为了能够模拟这种情况，DYNA 提供了单元失效功能。

破坏、失效、断裂，都是工程性的概念，它表示在达到某一准则后，结构、构件、或者构件中的某一部分，从结构中退出工作，不再影响整体结构的受力。而从有限元概念上说，对上述机制的模拟，基本手段都是一样的，就是当满足某一指标（比如某个应变大小）后，将一个单元或者一个积分点的质量、刚度和应力、应变都设为零（或者非常接近与零），这样它在整体结构计算中就不再发挥作用，进而实现了退出工作机制的模拟。所以，无论是把纤维模型中的某个纤维、或者分层壳模型中的某一层、或者实体模型中的某个积分点，或者结构中的某个单元，让其不再参与整体结构计算，都可以达到模拟破坏退出工作的目的。而所谓单元生死技术，是上述基本概念在有限元程序中的一个“打包”应用。它除了让单元不再参与计算外，一般还有一个重要的附加功能，就是对仅和“被杀死”单元相连的“孤岛”节点，让其自由度不再参与整体结构计算，以减少计算困难。而后来有限元程序的前后处理又不断改进，可以做到在后处理里面“看不到”已杀死的单元，这样就显得更加真实。但正因为这些包装，使得很多人反而忘记了所谓单元生死技术的基本概念。

所以，不要被单元生死吓到，即便是有限元程序不提供“单元生死”功能，通过适当的设计单元质量、刚度和应力应变矩阵，也可以实现单元生死同样的效果。至于构件的部分或局部破坏（诸如钢筋的断裂），更是有多种实现方法，使用者可以灵活掌握。

3、关于关键字参数

这个参数有两行参数，第一行：MID（MID - 待失效的材料编号），excl（排除数字，任意假设）；第二行：PFAIL（失效压力），SIGPI（失效主应力），SIGVM（失效等效应力，一般指抗拉强度），EPSPI（失效主应变），EPSSH（失效剪应变），SIGTH（极限应力），IMPULSE（失效应力冲量），FAILTM（失效时间）。

其中excl为排除数字，这个数字可以任意定义，如果第二行某个参数和这个数据相同，那么该参数定义的失效准则就被忽略。（第二行可以定义很多准则）。不选用其它失效准则不能留空，必须要填排除数字。

关于 PFAIL 关键字的说明：此关键字表示物体的静水压破坏，即各个方向受到相同压力时的破坏准则，其中压为正，拉为负，一般材料尤其是混凝土材料都是拉伸破坏，故此参数一般定义为负数，对于大小比较的是代数值的大小，因此当低于此准则即拉应力超过允许数值，材料即宣告破坏（类似抗压强度）。当实际的静水压力（其实应该是拉力）小 (大？) 于此值（代数大小），材料即宣告破坏。

 除最后一个是关于时间的破坏准则外，其余的六个破坏准则都是正数，表示拉力，当计算的数值大于此值时材料失效删除。

 4、关于材料失效;

压缩破坏在这个关键字中无法体现，要想施加压缩破坏准则，必须要自己定义关键字参数，即进行二次开发。另外，需要说明的是，动态破坏的基本特性是时率相关性和损伤积累性，损伤这一块，特别是微观上真实的损伤，而不是宏观上的唯象损伤，DYNA几乎是空白，所以就需要自定义材料了。

另外，应力波的破坏形式有两种，即拉伸破坏和剪切破坏，很少有材料是压缩破坏的，因为还没有达到压缩破坏的阀值的时候可能由于泊松比导致的侧向拉力已经达到了极限，所以混凝土材料真正的压缩强度是多少没有人知道。

 5、参数的使用范围 `

关键字的使用范围只是单点积分的 2d 和 3d 的实体单元。

6、关于材料失效与裂纹

在 DYNA 中，材料一旦失效就被自动的删除，而结构之所以出现裂缝或者破碎，是因为结构单元中一部分单元失效，另一部分未失效，这些未失效的部分被孤立就形成了破碎。

裂纹的形成有两种方式，一种是定义单元失效准则（*mat_add_erosion关键字），这种在定义的时候裂纹部位的网格必须足够的密，否则大量单元时效对结算结果会有较大影响；另一种是定义节点约束失效形成裂纹，方法是单元之间不是通过共节点进行连接，而是相互独立的，通过定义失效约束进行连接，这种方法的问题在于建立模型的过程比较复杂。

二、Ls-Dyna 负体积问题

对于承受很大变形的材料，比如说泡沫，一个单元可能变得非常扭曲以至于单元的体积计算得到一个负值。这可能发生在材料还没有达到失效标准前。对一个拉格朗日 (Lagrangian) 网格在没有采取网格光滑 (mesh smoothing) 或者重划分 (remeshing) 时能适应多大变形有个内在的限制。LS-DYNA 中计算得到负体积 (negative volume) 会导致计算终止，除非在 *control_timestep 卡里面设置 ERODE 选项为 1，而且在*control_termination 里设置 DTMIN 项为任何非零的值，在这种情况下，出现负体积的单元会被删掉而且计算继续进行 (大多数情况)。有时即使ERODE 和 DTMIN 按上面说的设置了，负体积可能还是会导致因错误终止。

有助于克服负体积的一些方法如下：

 *  简单的把材料应力－应变曲线在大应变时硬化。这种方法 会非常有效。

*  有时候修改初始网格来适应特定的变形场将阻止负体积的形成。此外，负体积通常只对非常严重的变形情况是个问题，而且特别是仅发生在像泡沫这样的软的材料上面。

*  减小时间步缩放系数 (timestep scale factor)。缺省的 0.9 可能不足以防止数值不稳定。

*  避免用全积分的体单元 (单元类型 2 和 3)，它们在包含大变形和扭曲的仿真中往往不是很稳定。全积分单元在大变形的时候鲁棒性不如单点积分单元，因为单元的一个积分点可能出现负的 Jacobian 而整个单元还维持正的体积。在计算中用全积分单元因计算出现负的 Jacobian 而终止会比单点积分单元来得快。

*  用缺省的单元方程 (单点积分体单元) 和类型 4 或者 5 的沙漏 (hourglass) 控制 (将会刚化响应)。对泡沫材料首先的沙漏方程是：如果低速冲击 type 6，系数 1.0; 高速冲击 type 2 或者 3。

*  对泡沫用四面体 (tetrahedral) 单元来建模，使用类型 10 体单元。

*  增加 DAMP 参数 (foam model 57) 到最大的推荐值 0.5。

*  对包含泡沫的接触，用 *contact 选项卡 B 来关掉 shooting node logic。

*  使用 *contact_interior 卡
      用 part set 来定义需要用 contact_interior 来处理的 parts，在 set_part 卡 1 的第 5 项 DA4 来定义 contact_interior 类型。缺省类型是 1，推荐用于单一的压缩。在版本 970里，类型 1 的体单元可以设置 type=2，这样可以处理压缩和剪切混合的模式。

*  如果用mat_126，尝试 ELFORM=0

 *  尝试用 EFG 方程 (*section_solid_EFG)。因为这个方程非常费时，所以只用在变形严重的地方，而且只用于六面体单元。