LSDYNA材料失效系列(3)|低碳钢和铸铁拉伸压缩实验破坏失效仿真

1.材料拉伸及压缩力学性能

1.1低碳钢拉伸力学性能

下图为低碳钢的拉伸载荷曲线，相信学过材料力学的同志们都不陌生。低碳钢是典型的塑性材料，其加载曲线反映了材料失效的四个阶段，分别为弹性阶段，塑性阶段，强化阶段和局部收缩阶段。在局部收缩阶段，试件变形将集中发生于某一局部长度范围之内。此处的横截面显著缩小，也就是我们熟悉的“缩颈现象”。由于发生缩颈现象的横截面变小，其拉力变小，故应力也变小，最终试件在缩颈处断裂。低碳钢断口呈现杯锥状，断口处有明显的倾斜面，倾斜面与试件轴线大致成45°方向，这说明低碳钢拉伸破坏是由于45°方向斜截面的最大切应力导致的。

图1 低碳钢拉伸曲线

1.2铸铁压缩力学性能

下图展示了铸铁在压缩情况下的应力应变曲线。铸铁是脆性材料，其应力应变曲线与低碳钢的显著不同。铸铁没有明显的塑性屈服阶段和缩颈现象。在压缩载荷下，试件受力直至被拉断，总变形量很小。压缩试件破坏时断口与轴线约为45°，这表明压缩时的铸铁破坏是由于45°方向上最大切应力过大而被剪断的。

图2 铸铁压缩应力应变关系

2.LSDYNA关键词卡片介绍

本文的目的是模拟低碳钢的拉伸破坏和铸铁的压缩破坏。LSDYNA模拟材料破坏失效需要用到关键词*MAT_ADD_EROSION。

图3 关键词卡片

各个参数含义如下：

MID:材料号

EXCL:当和后面的破坏准则取值一样时，表示不考虑此准则

MAPRES:最大失效静水压

MNEPS:最小失效主应变值

EFFEPS:最大有效应变，若为负值，代表有效塑性应变

VOLEPS:体应变失效值

NCS:失效前需要满足的失效条件个数

MNPRES:最小失效压力

SIGP1:最大主应力失效值

SIGVM: 等效v-m应力值

EPSSH: 最大拉伸失效剪应变,其计算可通过下式确定

FAILTM:失效时间控制

3.基于GISSMO的损伤模型

GSSMO失效模型是一个唯象损伤模型，通过增量法来描述材料的损伤累积过程，包括软化和失效。其增量表达式为：

其中q为损伤参数，失效应变是应力三轴度的函数，而D：

GISSMO模型已经被集成在了LSDYNA中，可通过关键词*MAT_ADD_GISSMO调用。下图为GISSMO关键词卡片：

图4 GISSMO关键词卡片

对于GISSMO模型，其部分参数含义为：

DYTYPE:是否考虑失效

LCSDG:失效应变与应力三轴度曲线

ECRIT:塑性失稳曲线

DMGEXP:损伤累积指数

DCRIT:临界损伤应变，若定义了ECRIT则，忽略此项

4.低碳钢拉伸仿真

 本节为低碳钢拉伸模拟，主要是为了模拟出断裂前的缩颈效应。图5为低碳钢拉伸失效形成的断口形状，呈现杯锥形，具有倾斜面。使用MAT_24自带的常应变失效来模拟低碳钢拉伸时，断裂前试件几乎没有发生缩颈现象，而使用GISSMO模型却具有显著的缩颈现象，这更加符合实验室观察到的低碳钢缩颈现象。

图5 低碳钢拉伸破坏断口形状

图6 基于GISSMO失效和MAT_24自带失效模型结果对比（上：GISSMO;下，MAT_24自带失效）

5.铸铁压缩仿真

图7-图8展示了铸铁在压缩过程中的破坏现象，不难看出，在压缩载荷下，铸铁沿着与轴线大致成45°的倾斜面断开，与实验现象是一致的。

图7 铸铁压缩实验断口沿着一条倾斜线断开

图8 铸铁压缩动画