值得收藏的LS-DYNA中丰富的FRP复合材料本构材料库

本文摘要（由AI生成）：

LS-DYNA在FRP复合材料仿真方面具有丰富的复合材料本构材料库，包括常用的失效准则如最大应力准则、最大应变准则、Tsai-Wu准则、Chang-chang准则、Hashin准则、Puck准则、LaRC准则等。LS-DYNA为用户提供的FRP本构模型有接近30种，包括Orthotropic Elastic、Thermal Orthotropic、Composite Damage、Laminated Composite Fabric、Nonlinear Orthotropic Elastic、Enhanced Composite Damage、Plastic Orthotropic damage model、Orthotropic Viscoelastic、Orthotropic Elastic Plastic、Layered Linear Plasticity、Composite_Layup、Composite_Matrix等。LS-DYNA的MAT261集成了基于物理机制复合材料本构模型，该模型还具有连续损伤退化的功能，能对各向同性和各向异性材料进行屈服、塑性行为分析，帮助理解复合材料在三维应力状态下的小变形、大变形及复杂的失效破坏过程。 

摘要：

纤维增强树脂基复合材料（一些简称FRP复合材料）具有高比刚度，高比强度以及力学性能可设计在航空和航天等重要的领域得到了广泛的使用。FRP复合材料，尤其是复杂结构的FRP复合材料在复杂载荷作用（无论是动态还是准静态）下的力学行为、裂纹起始、损伤演化以及结构失效特征是人们比较关注的问题。本文试图对LS-DYNA在FRP复合材料丰富的材料本构材料库进行盘点，同时详细介绍最新的基于物理机制和连续损伤退化的复合材料本构模型。

一、LS-DYNA中丰富的FRP复合材料本构材料库

如果真要说在FRP复合材料仿真方面的优势，就通用商业软件而言，LS-DYNA确实有一条是其他通用商业软件不具备的优势：那就是丰富的复合材料本构材料库。就FRP复合材料面内失效而言，常用的失效准则如下：

1. 最大应力准则和最大应变准则,
2. Tsai-Wu 准则,
3. Chang-chang准则,
4. Hashin准则,
5. Puck准则,

6. LaRC准则等

Table 1. LS-DYNA中丰富的复合材料类型（包含支持的单元类型，失效准则，以及是否考虑应变率效应）

如上图所示，LS-DYNA几乎涵盖了所有的主流的失效准则，同时所支持的单元类型几乎涵盖了3D的Shell, Tshell以及Solid，并且Mat54-55、Mat58、Mat158、Mat261-262还可以考虑应变率效应。而相对于另一款我们常使用的软件ABAQUS而言，其在复合材料本构模型方面丰富程度比较弱，更多的时候用户需要借助UMAT或者VUMAT进行二次开发。二次开发对于大多数工程技术人员而言是件比较头疼的事情。

而LS-DYNA为用户提供的FRP本构模型还不仅限于上述9种本构，完整的复合材料本构有接近30种，完整的列表如下:

• 2    Orthotropic Elastic

• 21  Thermal Orthotropic (12 constants)

• 22  Composite Damage

• 23  Thermal Orthotropic (12 curves)

• 34  Fabric (airbag)

• 40  Nonlinear  Orthotropic Elastic

• 54/55 Enhanced  Composite Damage

• 58  Laminated Composite Fabric

• 59  Composite Failure (_shell, _solid )_model

• 82  Plastic Orthotropic damage model

• 86   Orthotropic Viscoelastic

• 108  Orthotropic Elastic Plastic

• 114  Layered Linear Plasticity

• 116  Composite_Layup

• 117  Composite_Matrix

• 118  Composite_Direct

• 143  APTEK  Orthotropic Wood

• 219  CODAM Composite Damage Model

• 161  Composite MSC

• 162  Composite DMG MSC

• 158  Rate Sensitive Composite

• 221  Orthotropic Material

• 236  Ceramic Matrix

• 249  Mat_Reinforced_theramlplastic

• 261  Laminated Fracture Daimler Pinho

• 262  Laminated Fracture Daimler Camma
  

二、 LS-DYNA中基于物理机制和连续损伤退化的复合材料本构模型

复合材料结构具有复杂性和破坏模式的多样性，其力学研究一直是一个难题。在工程实际中，为了保证结构的安全性，复合材料结构的实际设计承载常常远大于理论预测。这样做虽然在安全性上得到了保障，但同时在经济性和结构减重要求方面并不符合当今市场越来越高的设计精密度要求。提高设计周期，制造及运营成本，在航空航天市场上也缺乏长远竞争力。

为了更准确的预测复合材料结构的破坏行为，研究者们在近五十年内一直在致力于寻找一个可靠的面内破坏强度理论，以预测复合材料结构的损伤初始与最终破坏。

完整的强度理论必须具有：本构理论，应力计算，失效准则，刚度退化方法四个部分。为了测试众多失效准则的有效性。Hinton，Kaddour等开展了三届World Wide Failure Exercise（WWFE）失效准则大会。对强度理论的评估与发展具有深远影响。大部分失效准则与实验结果完全不符，许多失效准则还在采用经验公式对失效的起始和扩展进行预测美国NASA(美国国家航空和宇宙航行局)Langley Research Center提出了基于失效机理的LaRC系列强度理论。

在近年内LaRC强度理论引起了学术界的广泛关注，并在已有的基础上不断改进发展，其中LaRC03， LaRC04，LaRC05具有继承性。是该系列最具有影响力的几种强度准则。LaRC失效准则参与了WWFE-Ⅱ。WWFE-Ⅱ组织者用12种强度理论盲算12种不同试验。共测评90个测评点，并根据定性及定量的评估结果，强度理论成熟度，程序实现难易程度，强度理论的强健性，实用程度。将LaRC失效准则归为理论发展较成熟，具有较高预测精确度的强度理论。

同时WWFE-Ⅱ组织者根据计算结果将LaRC强度理论的特点总结为：

• 能对各向同性和各向异性材料进行屈服，塑性行为分析。帮助理解复合材料在三维应力状态下的小变形，大变形及复杂的失效破坏过程。

• 作为基于失效机理的强度理论（physically based strength theory），有助于理解一些失效破坏现象。

Table .3给出三种LaRC系列失效准则的主要特点：

LS-DYNA的MAT261集成了基于物理机制复合材料本构模型，该模型还具有连续损伤退化的功能，下面对MAT261做详细介绍。

• 在强度准则中考虑了层合板的就地效应（in-situ effect）；
• 在纤维压缩失效中应用了弯折模型（kink model）；

• 能考虑剪切非线性和横向压缩非线性效应；

LaRC强度准则吸收了Puck关于纤维间损伤模式（IFF）的相关思想，在纤维压缩失效中应用了弯折模型（kink model），并向基体损伤准则与纤维压缩失效联系在一起，使得理论体系更加完整。

Mat261提供了Pinho复合材料LaRC04基本理论的实现，将强度准则适用范围扩展为三维应力状态，并在强准则中考虑了面内剪切非线性效应。基体拉伸失效准则在与面内剪切相关的项中加入非线性项，考虑了如下4种失效模式：基体拉伸失效，纤维拉伸失效，纤维压缩失效（Kinking）以及基体压缩失效。

图1. Mat261所描述的失效模式

具体的失效准则如下图所示：

材料发生初始损伤后，材料进入损伤演化阶段，损伤演化按照应变累计呈现线性退化趋势，最大失效应变通过断裂能计算得到。

Mat261考虑面内的剪切效应，剪切非线性采用*Define-curve人为给定，借鉴了金属弹塑性各向同性硬化/随动硬化的基本思想，为剪切非线性的实现提供了一种可能。

在ls-dyna中完整的材料卡片输入需要包含如下7行参数，对比Mat54-55 实际上陌生的材料参数并不多，最大的不同在第5行，需要输入5个断裂能。

三、基于LS-DYNA复合材料仿真分析15讲

本文介绍了LS-DYNA集成的丰富的材料本构模型，涉及到的失效准则几乎涵盖了所有主流的准则。同时详细介绍了LS-DYNA中先进的基于物理机制和连续损伤退化的复合材料本构模型，希望本文的介绍可以为LS-DYNA的复合材料使用者有所帮助。此外可以关注我在仿真秀APP和官网的专栏--蓝牙，我将分享LS-Dyna学习资料，也欢迎向我提问，我会解答。

自2020年6月起，我在仿真秀App和官网发布一套原创到底视频教程基于《LS-DYNA复合材料仿真分析15讲》感兴趣的朋友可以订阅，加入我的VIP用户群进行交流。

以下是课程大纲：

2、对学员的帮助是什么？

① 学员可以全面掌握Ls-dyna中的复合材料单元划分铺层设置/本构关系/面内失效/界面失效/后处理/精度控制/冲击作用下的复合材料失效方法/采用动力学方法处理准静态问题的注意事项

② 对如下学员有帮助：需要精细化分析的企事业单位的工程师 以及 深入研究复合材料和结构的高校研究生

③ 解决学员在Ls-Dyna软件在复合材料应用过程中遇到的难点和痛点。

④ 购买系列课的付费用户，可以获得1套完整的基于APDL的建模和k文件

⑤ 订阅用户可以加入VIP用户交流群，提供学习答疑和资料，其他用户可以加入LS-Dyna交流群，进群请添加小助手微 信【fangzhenxiu999】邀请。

3、讲师是谁？

蓝牙博士，副研究员，计算力学方向，simwe总版主，仿真秀专栏作者。2004年开始使用ANSYS 到目前，精通！2005年开始接触LS-DYNA到目前，主要侧重用它做冲击破坏，流体固体耦合的工程项目，精通！2007年开始使用ABAQUS 主要用来做二次开发,对UEL和UMAT的使用颇多心得，对用Python写ABAQUS的脚本研究还算透彻。对CFX FLUENT ADINA有一定的使用经验，熟练！

主业是从事复合材料结构优化、损伤容限和健康监测等方面的研究。在计算细观力学、空气动力学以及流固耦合力学等方面受到了的专业训练，具有坚实的理论基础和广泛深入的专业知识，在国内外核心期刊上发表论文30余篇，其中中科院一区SCI论文5篇。

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