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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
< br>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），
EP
SPI
（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）。
< br>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。
< br>
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。<
/p>
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_terminatio
n
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
(<
/p>
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。<
/p>
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
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
< br>
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
;
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
。
*
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。
三、
Ls-Dyna
软件简介
单元
1.4.1
单元类型
LS-DYNA
有
7
< br>种单元类型：
(1)
LINK160
：桁架单元
(2)
BEAM161
：梁单元
(3)
SHELL163
：薄壳单元
(4)
SOLID164
：块单元
(5)
COMBI165
：弹簧与阻尼单元
(6)
MASS166
：结构质量
(7)
LINK167
：缆单元
所有显式动力单元为三维的，每种单元都可用于几乎所有材料模型，都有几种
不同算法，均具有一个线性位移函数，目前尚没有具有二次位移函数的高阶单
元。每种
显式动力单元缺省为单点积分。
1.4.1.1
LINK160
单元
3D
圆杆单元用来承受轴向载荷，
用
3
个节点定义单元，
第
3
个节点用来定义
杆的初始方向，见图
。
1.4.1.2 BEAM161
梁单元
由于不产生应变，此
3D
梁适用于刚体旋转，用
3
个节点定义此单元，见图
。
可以定义几种标准梁截面，见图
。
1.4.1.3
SHELL163
薄壳单元
Shell163
有
11
种不同算法，最重要的几种有：
(1)
Belytschko-Tsay (BT
，
KEYOPT(1)=2
，
default)
：
a.
简单壳单元；
b.
非常快；
c.
翘曲时易出错。
(2)
Belytschko-Wong-Chiang
(BWC
，
KEYOPT(1)=10)
：
a.
速度是
BT
单元的倍；
b.
适用于翘曲分析；
c.
推荐使用。
(3)
Belytschko-Leviathan (B
L
，
KEYOPT(1)=8)
：
a.
CPU
时耗为
BT
单元的
倍；
b.
第一个具有物理沙漏控制的单元。
(4)
S/R co-rotational
Hughes-Liu (S/R CHL
，
KEYOPT(1
)=7)
：
a.
没有沙漏的壳单元；
b.
CPU
为
* BT
。
1.4.1.4 SHELL163
膜单元算法
有两种膜单元算法：
(1)
Belytschko-Tsay-Membrane
(KEYOPT(1)=5)
：
具有单点积分的膜单元算法。
(2)
Fully integrated Belytschko-Tsay-
Membrane (KEYOPT(1)=9)
：
具有
4
个积分点的膜单元算法。
1.4.1.5
SOLID164
8
节点六面体单元
可以选择两种算法：
(1)
单点积分；
a.
对大变形问题十分有效；
b.
需要沙漏控制；
(2)
完全积分
(2x2x2
积分
)
；
a.
求解慢，但无沙漏；
b.
使用大的泊松比时谨慎；
建议不用退化四面体单元，对于显式动力分析最好用映射网格，拖拉出的带金
字塔形网格也可以。
1.4.1.6
COMBI165
弹簧阻尼单元
用两个节点定义，可以与所有其他单元联结，具有平动和扭动
自由度。这种单
元能够应用复杂的非线性力
-
< br>位移关系。
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