材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法技术

本发明专利技术公开了一种材料超弹性本构在LS‑DYNA中的嵌入方法，以软件主程序提供的变形梯度张量为基础，构建右柯西‑格林应变张量、右柯西‑格林应变率张量，利用链式法构建第二皮奥拉‑基尔霍夫应力张量函数并输出柯西应力张量函数，建立各应变张量、应变率张量与应力张量函数在LS‑DYNA主程序与用户自定义子程序中的传递算法。本发明专利技术能将具有的大变形、非线性、各向异性、应变率效应等力学行为的材料超弹性本构模型以用户自定义子程序的方式嵌入到LS‑DYNA软件，分析含不同超弹性材料在不同应变率下的力学响应。

【技术实现步骤摘要】
材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法
本专利技术属于弹性力学的有限元数值分析领域，特别是一种材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法。
技术介绍
超弹性材料由于具有高弹、减震、生理惰性等优良的物理化学特性，在工程上得到广泛应用。由于含不同填充相的超弹性材料性能各异，如帘线、纤维增强聚合物复合材料体现出明显的非线性、各向异性，纤维增强聚合物复合材料在低应变率下依然具有应变率效应。针对不同超弹性材料在不同振动、冲击等载荷下的力学响应行为，可通过建立了相关的横观各向同性的黏-超弹模型描述，然而现有的LS-DYNA材料库仅有Mooney-Rivlin等几种典型超弹模型，许多形式复杂的材料超弹本构模型无法直接应用于各种工程问题的有限元分析。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法，以解决现有的有限元软件无法数值模拟橡胶基复合材料的大变形、非线性、各向异性、应变率效应等力学本构行为这一问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、从主程序中提取当前时间步长内的储存于历史变量中的变形梯度张量F；步骤2、根据材料的本构模型形式计算材料变形后与变形前的体积比J与右柯西格林应变张量C，确定应变张量不变量表示的弹性应变能函数W；步骤3、若材料没有应变率效应，则计算第二皮拉霍夫应力张量S，若材料具有应变率效应，则根据相邻时间步长的变形梯度张量与时间步长dt确定右柯西-格林应变率张量不变量确定应变率张量不变量表示的黏性应变能函数We，然后计算第二皮拉霍夫应力张量S；步骤4、确定真实柯西应力张量σ，将柯西应力张量σ传入主程序输出，进入下一时间步；重复上述步骤1～步骤4，直至计算终止，最后输出终止时刻的结果。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术以用户自定义的方式建立材料超弹性本构模型与LS-DYNA3D软件系统的程序接口，将具有复杂形式的材料超弹性本构模型以用户自定义子程序的方式嵌入到LS-DYNA软件，以分析其在不同加载条件下大变形、非线性、各向异性、应变率效应等力学响应行为。附图说明图1为建立用户自定义子程序的流程图。图2为铝粉/橡胶超弹性本构模型在LS-DYNA中的嵌入结果。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。结合图1，本专利技术的一种材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法，包括以下步骤：步骤1、从主程序中提取当前时间步长内的储存于历史变量hsv(1),…,hsv(9)中的变形梯度张量F；变形张量F矩阵表达形式为：其中，Fij为变形梯度张量的分量，i＝1,2,3，j＝1,2,3。步骤2、根据材料的本构模型形式计算材料变形后与变形前的体积比J与右柯西格林应变张量C，确定应变张量不变量表示的弹性应变能函数W，其中：W＝W(I1,I2,I3,I4,I5)C＝FT·FI1＝I:C＝trCI3＝det(C)I4＝A0:C＝a0·C·a0I5＝A0:C2＝a0·C2·a0式中：A0为与填充相相关的结构张量；a0为增强相的初始单位方向向量。对于不可压超弹性材料，体积比J为1。步骤3、对于没有应变率效应的材料，直接计算第二皮拉霍夫应力张量S，其中：对于考虑应变率效应的材料，根据相邻时间步长的变形梯度张量与时间步长dt确定变形率梯度张量与右柯西-格林应变率张量不变量确定应变率张量不变量与应变张量不变量Js(s＝1，2，。。。，5)表示的黏性应变能函数We，其中，当前时间步长内的变形梯度张量Fn+1保存在历史变量hsv(1),…,hsv(9)，令前一时间步长内的变形梯度张量Fn保存在历史变量hsv(10),…,hsv(18)，最后然后计算第二皮拉霍夫应力张量S；其中：We＝We(J1,J2,J3,J4,J5)步骤4、确定真实柯西(Cauchy)应力张量σ，将柯西应力张量σ传入主程序输出，进入下一时间步，重复上述步骤1～步骤4；确定真实柯西(Cauchy)应力张量σ，其中：σ＝J-1·F·S·FT将柯西应力张量σ的分量σq以sin(1),…,sin(6)的形式传入主程序输出，q＝1,2,3,4,5,6，最终进入下一时间步，重复步骤1～步骤4，直至LS-DYNA软件K文件中设置的终止时刻，输出计算结果。实施例本实施例的一种橡胶基复合材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法，材料的本构模型以LS-DYNA软件主程序提供的变形梯度张量F为基础，建立各应变张量、应变率张量与应力张量函数在LS-DYNA主程序与用户自定义子程序中的传递算法。已知铝粉/橡胶复合材料其应变能可表示为：W＝(1-VAl)Wru+VAlWAl式中：WAl为铝粉应变能，VAl为铝粉体积分数，Cs为材料参数。图2给出了铝粉体积含量为0，10％，20％，30％的试样(计作V-0,V-10,V-20,V-30)在应变率为8.333×10-3s-1下的拉伸试验应力应变曲线。铝粉/橡胶复合材料各应变张量、应变率张量与应力张量函数在LS-DYNA主程序与用子程序中的传递算法包含以下步骤：步骤1、从LS-DYNA主程序中提取当前时间步长内的储存于历史变量hsv(1),…,hsv(9)中的变形梯度张量F，变形张量F矩阵表达形式为：其中，Fij为变形梯度张量的分量，i＝1,2,3，j＝1,2,3。步骤2、计算铝粉/橡胶复合材料变形后与变形前的体积比J，对于不可压超弹性材料，体积比为1。确定右柯西格林应变张量C与应变张量不变量Ik(k＝1，2，。。。，5)表示的应变能函数W，其中：C＝FT·FW＝W(I1,I2,I3,I4,I5)I1＝I:C＝trC＝λ12+λ22+λ32I3＝det(C)＝λ12λ22λ32I4＝A0:C＝a0·C·a0I5＝A0:C2＝a0·C2·a0式中：λm为第m方向的拉伸比，m＝1,2,3,4,5；A0为与填充相相关的结构张量；a0为增强相的初始单位方向向量。步骤3、由应变能函数可知该材料无应变率效应，因此直接计算材料的第二皮拉霍夫应力张量S：步骤4、确定真实柯西(Cauchy)应力张量σ，其中：σ＝J-1·F·S·FT将柯西应力张量的分量σq以sin(1),…,sin(6)的形式传入主程序输出，q＝1,2,3,4,5,6，最终进入下一时间步，重复步骤1～步骤4，直至LS-DYNA软件K文件中设置的终止时刻，输出计算结果。在本实施例中，使用CompaqVisualFORTR本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、从主程序中提取当前时间步长内的储存于历史变量中的变形梯度张量F；/n步骤2、根据材料的本构模型形式计算材料变形后与变形前的体积比J与右柯西格林应变张量C，确定应变张量不变量表示的弹性应变能函数W；/n步骤3、若材料没有应变率效应，则计算第二皮拉霍夫应力张量S，若材料具有应变率效应，则根据相邻时间步长的变形梯度张量与时间步长dt确定右柯西-格林应变率张量不变量

【技术特征摘要】
1.一种材料超弹性本构在LS-DYNA中的嵌入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、从主程序中提取当前时间步长内的储存于历史变量中的变形梯度张量F；
步骤2、根据材料的本构模型形式计算材料变形后与变形前的体积比J与右柯西格林应变张量C，确定应变张量不变量表示的弹性应变能函数W；
步骤3、若材料没有应变率效应，则计算第二皮拉霍夫应力张量S，若材料具有应变率效应，则根据相邻时间步长的变形梯度张量与时间步长dt确定右柯西-格林应变率张量不变量确定应变率张量不变量表示的黏性应变能函数We，然后计算第二皮拉霍夫应力张量S；
步骤4、确定真实柯西应力张量σ，将柯西应力张量σ传入主程序输出，进入下一时间步；
重复上述步骤1～步骤4，直至计算终止，最后输出终止时刻的结果。


2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟兵，李军宝，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32