考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法。本发明专利技术包括：建立准静态荷载作用下材料交互界面切向粘结‑滑移及法向张开/压缩非线性的本构关系模型；在材料交互界面的切向及法向量化应变率效应及应变率非线性对准静态本构关系的增强作用；定义塑性损伤效应对材料交互界面切向及法向本构关系的影响；建立混合模态下材料交互界面的失效判断准则；根据前述步骤形成的材料交互界面本构关系，基于LS‑DYNA自定义材料模块定义Cohesive单元，用于材料交互界面的数值模拟。本发明专利技术能全面准确地描述材料交互界面在第I及第II模态下的力学性能，反映材料交互界面在应变率效应及非线性下的动力学性能，反映塑性损伤效应对材料交互界面性能的影响。

NUMERICAL SIMULATION METHOD OF MATERIAL INTERACTION INTERFACE CONSIDERING NONLINEAR AND STRAIN RATE EFFECTS

The present invention relates to a numerical simulation method of material interaction interface considering non-linearity and strain rate effect. The present invention includes: establishing a constitutive model of tangential bonding, slip and normal opening/compression nonlinearity of the material interface under quasi-static loading; enhancing the tangential and normal strain rate effects and strain rate nonlinearity of the material interface; defining the effect of plastic damage on the tangential and normal constitutive relations of the material interface; Based on the constitutive relationship of material interface formed by the above steps, a Cohesive element is defined based on LS DYNA custom material module for numerical simulation of material interface. The invention can fully and accurately describe the mechanical properties of the material interface under mode I and mode II, reflect the dynamic properties of the material interface under strain rate effect and non-linearity, and reflect the influence of plastic damage effect on the performance of the material interface.

【技术实现步骤摘要】
考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法
本专利技术涉及材料交互界面数值模拟应用与研究领域，尤其是考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法。
技术介绍
两种材料粘结在一起共同受力，协调变形在材料科学等多个领域十分普遍，尤其是轻质高强的新型材料和传统材料结合使用的情况。材料交互界面的粘结强度等界面性能往往是两种材料共同受力，协调变形的基础，因此，对材料交互界面的粘结性能进行研究具有重要意义。有限元法常用来分析研究涉及材料交互界面复杂粘结性能的相关问题，LS-DYNA中的Cohesive单元常被用于处理材料之间的界面交互问题，用于定义界面的粘结性能，如界面粘结-滑移和界面张开/压缩本构关系等，Cohesive单元也是最常使用的界面单元之一。目前，在LS-DYNA版本R10.0.0中，直接用于Cohesive单元的材料模型共有6种。其中4种材料模型将切向粘结-滑移和法向张开/压缩本构关系都定义为线性或多段线性关系，不能反映材料交互界面切向及法向本构关系的非线性性能。材料模型*MAT_COHESIVE_PAPER的切向及法向本构关系具有指数型的软化段，但该材料模型不能考虑应变率效应对本构关系的增强作用。材料模型*MAT_COHESIVE_MIXED_MODE_ELASTOPLASTIC_RATE是目前唯一的能考虑应变率效应的且直接用于Cohesive单元的材料模型，但该材料模型在切向及法向将本构关系定义为多段线性，不能反映材料交互界面切向及法向本构关系的非线性性能；且此模型将等效应变率的自然对数和DIF(DynamicIncreasingFactor，简称DIF，动力放大系数)定义为线性关系，不能考虑非线性效应的影响。目前LS-DYNA中直接用于Cohesive单元的材料模型中，缺乏同时考虑材料交互界面性能非线性和应变率及应变率非线性的本构关系。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有材料交互界面数值模拟技术的不足，基于LS-DYNA中Cohesive单元和自定义材料模块，对考虑应变率及非线性的材料交互界面进行数值模拟，全面准确地描述材料交互界面在第I及第II模态下的力学性能。为实现上述目的，本专利技术采用的解决方案为：考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立准静态荷载作用下材料交互界面切向粘结-滑移及法向张开/压缩非线性的本构关系模型；(2)在材料交互界面的切向及法向量化应变率效应及应变率非线性对准静态本构关系的增强作用；(3)定义塑性损伤效应对材料交互界面切向及法向本构关系的影响；(4)建立混合模态下材料交互界面的失效判断准则；(5)根据步骤(1)到步骤(4)形成的材料交互界面本构关系，基于LS-DYNA自定义材料模块定义Cohesive单元的本构，对两种材料的交互界面进行有限元建模，并用于材料交互界面的数值模拟。其中步骤(1)具体包括以下内容：1.将准静态荷载作用下材料交互界面切向粘结-滑移本构关系定义为非线性形式，其本构模型如下式(1)～(2)所示：式(1)中，τ代表材料交互界面的切向粘结应力；s代表切向的滑移量；τmax代表准静态荷载作用下切向的最大粘结应力；s0代表最大粘结应力所对应的滑移量；α代表粘结-滑移本构关系软化段的控制参数。式(2)中，代表材料交互界面在第II模态下的断裂能。2.将准静态荷载作用下材料交互界面法向张开和压缩的本构关系分开定义，法向张开的本构关系模型如下式(7)～(9)所示：δt,0＝λ·δt,max(8)式(7)中σt代表材料交互界面沿法向张开的粘结应力；δt代表沿法向张开的相对位移；σt,max代表沿法向的最大粘结应力；δt,0代表法向最大粘结应力对应的相对位移；δt,1代表本构关系软化段拐点对应的法向相对位移值。式(8)中λ代表法向最大粘结应力对应的相对位移与法向最大相对位移的比值；δt,max代表法向最大相对位移，其值为5倍的(δt,1-δt,0)。式(9)中代表材料交互界面法向张开本构关系下降段与坐标轴围成的面积。3.将准静态荷载作用下材料交互界面法向压缩本构关系，按Cohesive单元有厚度和零厚度分开定义，有厚度的Cohesive单元法向压缩本构关系模型如下式(10)～(12)所示：η＝δc/δc,0(11)k＝Kc,0/Kc,1(12)式(10)中σc代表材料交互界面沿法向压缩的应力；δc代表法向压缩的相对位移；σc,max代表法向压缩的最大应力；δc,max代表法向压缩的最大相对位移；δc,lim代表本构关系线性软化起点的相对位移；σc,lim代表δc,lim对应的应力。式(11)中δc,0代表法向压缩最大应力对应的相对位移。式(12)中Kc,0代表压缩本构关系曲线原点的切线刚度；Kc,1代表压缩本构关系曲线峰值点的割线刚度。零厚度的Cohesive单元法向压缩本构关系定义为线弹性，其刚度为切向本构关系粘结应力峰值点的割线刚度的100倍，以防止压缩状态下的穿透现象。所述步骤(2)具体包括以下内容：1.在材料交互界面的切向及法向通过引入动力放大系数(DynamicIncreasingFactor，简称DIF)量化应变率及应变率非线性效应对准静态下本构关系的增强作用。在材料交互界面的切向，有厚度和零厚度的Cohesive单元都通过界面在动态荷载作用下产生的滑移率计算动力放大系数DIFs，且的关系呈非线性。其计算公式如下式(13)～(16)所示：式(13)中是材料交互界面切向在动荷载作用下的滑移率；是准静态滑移率，取1×10-7m/s。式(14)中fcs代表材料交互界面的粘结强度或材料交互界面两种材料中较弱材料的强度，当材料交互界面的粘结破坏发生在粘结层内，fcs取粘结层的粘结强度(单位取MPa)，当粘结破坏发生在其中一种材料内部时，该材料被视为较弱材料，fcs取较弱材料的抗压强度(单位取MPa)；fco为fcs无量纲化常数(单位取MPa)，取值与交互界面粘结破坏发生层的材料属性有关，当破坏发生在混凝土层中时，fco取10MPa。2.在材料交互界面的法向，仅有厚度的Cohesive单元考虑应变率及应变率非线性效应，且张开和压缩状态分开定义。动力荷载作用下，通过Cohesive单元法向的应变率分别计算张开和压缩状态下的动力放大系数DIFn,t和DIFn,c，其计算公式如下式(17)～(20)所示：δ＝1/(1+8fcs/fco)(18)logβ＝6δ-2(19)式(17)中是应变率，是张开状态下准静态应变率，取1×10-6s-1。式(20)中是压缩状态下准静态应变率，取30×10-6s-1。分别计算出Cohesive单元的切向和法向DIFs/DIFn后，通过DIFs/DIFn放大准静态下切向和法向的粘结应力，同时放大第II模态和第I模态下的断裂能，就能达到考虑应变率及应变率非线性效应的目的，其计算公式如下式(21)～(22)所示：τd＝τs×DIFs、σt,d＝σt,s×DIFn,t、σc,d＝σc,s×DIFn,c(21)式(21)中τd、σt,d和σc,d分别代表切向动态粘结应力、法向张开时的动态粘结应力及法向压缩时的动态粘结应力；τs、σt,s和σc,s分别代表准静态下切向粘结应力、法向受拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立准静态荷载作用下材料交互界面切向粘结‑滑移的本构关系模型、法向张开本构关系模型和法向压缩本构关系模型；(2)在材料交互界面的切向及法向量化应变率效应及应变率非线性对准静态本构关系的增强作用；(3)定义塑性损伤效应对材料交互界面切向及法向本构关系的影响；(4)建立混合模态下材料交互界面的失效判断准则；(5)根据步骤(1)到步骤(4)形成的材料交互界面本构关系，基于LS‑DYNA自定义材料模块定义Cohesive单元的本构，并用于材料交互界面的数值模拟。

【技术特征摘要】
1.考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立准静态荷载作用下材料交互界面切向粘结-滑移的本构关系模型、法向张开本构关系模型和法向压缩本构关系模型；(2)在材料交互界面的切向及法向量化应变率效应及应变率非线性对准静态本构关系的增强作用；(3)定义塑性损伤效应对材料交互界面切向及法向本构关系的影响；(4)建立混合模态下材料交互界面的失效判断准则；(5)根据步骤(1)到步骤(4)形成的材料交互界面本构关系，基于LS-DYNA自定义材料模块定义Cohesive单元的本构，并用于材料交互界面的数值模拟。2.根据权利要求1所述的考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法，其特征在于，所述准静态荷载作用下材料交互界面切向粘结-滑移本构关系为非线性，其本构模型为：其中，τ代表材料交互界面的切向粘结应力；s代表切向的滑移量；τmax代表准静态荷载作用下切向的最大粘结应力；s0代表最大粘结应力所对应的滑移量；α代表粘结-滑移本构关系软化段的控制参数，代表材料交互界面在第II模态下的断裂能。3.根据权利要求1所述的考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法，其特征在于，所述准静态荷载作用下材料交互界面法向张开的本构关系模型为：δt,0＝λ·δt,max其中σt代表材料交互界面沿法向张开的粘结应力；δt代表沿法向张开的相对位移；σt,max代表沿法向的最大粘结应力；δt,0代表法向最大粘结应力对应的相对位移；δt,1代表本构关系软化段拐点对应的法向相对位移值，λ代表法向最大粘结应力对应的相对位移与法向最大相对位移的比值；δt,max代表法向最大相对位移，δt,max＝5(δt,1-δt,0)，代表材料交互界面法向张开本构关系下降段与坐标轴围成的面积；准静态荷载作用下材料交互界面法向压缩本构关系，按Cohesive单元有厚度和零厚度分开定义，有厚度的Cohesive单元法向压缩本构关系模型为：η＝δc/δc,0k＝Kc,0/Kc,1σc代表材料交互界面沿法向压缩的应力；δc代表法向压缩的相对位移；σc,max代表法向压缩的最大应力；δc,max代表法向压缩的最大相对位移；δc,lim代表本构关系线性软化起点的相对位移；σc,lim代表δc,lim对应的应力；δc,0代表法向压缩最大应力对应的相对位移；Kc,0代表压缩本构关系曲线原点的切线刚度；Kc,1代表压缩本构关系曲线峰值点的割线刚度；零厚度的Cohesive单元法向压缩本构关系为线弹性，其刚度为切向本构关系粘结应力峰值点的割线刚度的100倍。4.根据权利要求1所述的考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法，其特征在于，在材料交互界面的切向及法向通过引入动力放大系数量化应变率及应变率非线性效应对准静态下本构关系的增强作用；在材料交互界面的切向，有厚度和零厚度的Cohesive单元都通过界面在动态荷载作用下产生的滑移率计算动力放大系数DIFs，且的关系呈非线性，其计算公式如下：其中是材料交互界面切向在动荷载作用下的滑移率；是准静态滑移率，取1×10-7m/s，fcs代表材料交互界面的粘结强度或材料交互界面两种材料中较弱材料的强度，当材料交互界面的粘结破坏发生在粘结层内，fcs取粘结层的粘结强度，当粘结破坏发生在其中一种材料内部时，该材料被视为较弱...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓琴，陈前均，陈建飞，陆勇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53