2.15 复合材料的使用

有关层合壳理论的内容，请参见用户手册中*control_shell的参数LAMSHT。

要将厚度、材料模型和材料方向角分配给复合材料的各层，可使用*part_composite，它比*part+*section_shell+*integration_shell要简单得多。

对于正交各向异性材料的壳，有3个坐标系需要考虑：全局坐标系、单元坐标系和材料坐标系。*element_shell_beta的BETA参数和B1、B2等与*section_shell的角度只影响材料坐标系。单元坐标系由单元的连接顺序决定（N1-N2是x方向；z方向是壳的法向）。

可以通过LS-PrePost读入关键字来查看壳的厚度和材料的方向。

若要以其厚度来显示壳单元，请单击Appear→Thick→All Vis命令按钮。

也可以通过Fcomp→Misc→thickness来显示壳的厚度云图。

对于层方向，可单击Ident→Element→Mat Dir→All Vis命令按钮。

可为给定的层（积分点）显示一个坐标系。

若要设置层（积分点）的数目，请单击Setting→Axes/Surface→Surface：IntPt→Apply命令按钮。

关于输出：

如果*database_extent_binary 的CMPFLG=0（默认），则

d3plot文件：应力/应变位于全局坐标系下。

elout文件：shell中的应力/应变位于单元坐标系下（请注意elout文件中的“local”），N1-N2是壳的局部x方向，壳的法向是局部z方向。

注意，*element_shell_beta中的BETA不影响输出的elout，也不影响云图和时程图，即使用户切换到LS-PrePost中的“local”也是如此。

如果CMPFLG=1，复合材料的所有应力和应变输出都在材料坐标系下。

将“Glob/Loca”更改为“d3plot/Glob/Elem/Mtrl/User”。

第一个选项d3plot，将直接使用d3plot中的应力，而不是由LSPP进行转换。

要使用其余4个选项中的任何一个，需要用户加载关键字模型，因为这是确保对模型系统进行正确转换的唯一方法。

复合材料的材料模型如下：

● 22*mat_composite_damage

● 54*mat_enhanced_composite_damage

● 55*mat_enhanced_composite_damage

从971 R3.1开始可以对实体单元施加。

● 58*mat_laminated_composite_fabric

在dev R130659版本之前只能用于壳单元，在此之后，开发了具有恒定刚度、无应变率因变量的基本MAT_58的实体单元。

● 59*mat_composite_failure(_shell,_solid)_model

● 114*mat_layered_linear_plasticity

DOES使用层合壳理论的塑性模型。

● 116*mat_composite_layup

不使用层合壳理论（对泡沫芯/夹层复合材料不合适）；

需要*integration_shell（允许每个积分点引用不同的mat_2常量）；

计算合力（不计算应力）。

● 117*mat_composite_matrix

● 118*mat_composite_direct

计算合力（不计算应力）；

输入刚度矩阵的21个系数。

● 117号材料输入的材料坐标系下的刚度系数

● 118号材料输入的单元坐标系下的刚度系数（减少存储要求）

● 158*mat_rate_sensitive_composite_fabric

类似58号材料，但考虑了黏弹性应力的速率效应。

● 161/162*mat_composite_msc

仅用于实体单元，适用于分层研究；

MSC是材料科学，而不是McNeal-Schwindler；

需要特殊许可证。

● 213*mat_composite_tabulated_plasticity

正交异性弹塑性材料，与温度和速率相关；

可用于实体单元；

由亚利桑那州立大学开发。

● 215*mat_4a_micromec

各向异性复合材料，特别是短纤维热塑性塑料（SFRT）和长纤维热塑性塑料（LFRT）。

● 219*mat_codam2

实体单元、壳单元、厚壳单元；

来自不列颠哥伦比亚大学；

横向各向同性层组成的纤维增强复合材料的基于亚-层压板的连续损伤力学模型；

非局部平均选项。

● 221*mat_orthotropic_simplified_damage

具有简化损伤选项和破坏选项的正交异性的复合材料；

仅用于实体单元；

定义了9个损伤变量，使损伤在拉伸和压缩方面有所不同，这些损伤变量适用于Ea、Eb、Ec、G ab、Gbc和Gca；

9个应变的失效准则可用。

● 236*mat_scc_on_rcc

模拟碳化硅涂层的增强碳（RCC）、陶瓷基体，并基于准正交异性、线弹性的平面应力模型。附加的本构模型属性包括一个简单的（基于非损伤模型的）选项，它可以模拟拉伸裂纹的要求：张力中的“应力截止”，该选项通过限制拉应力而不是压应力来满足拉伸裂纹要求，并使拉伸“屈服”（应力-截止）完全可恢复，而不是基于塑性或损伤。

● 249*mat_reinforced_thermoplastic

描述了一种增强热塑性复合材料。钢筋被定义为一种各向异性超弹性材料，其纤维方向可定义3个不同的方向。它既可用于单向层，也可用于机织和无卷曲织物。基体采用简单的热弹塑性材料模型。

● 261*mat_laminated_fracture_daimler_pinho

实体单元、壳单元、厚壳单元；

仅适用于现在的Dev版本；

层合纤维增强复合材料的正交异性连续损伤模型。

● 262*mat_laminated_fracture_daimler_camanho

实体单元、壳单元、厚壳单元；

仅适用于现在的Dev版本；

层合纤维增强复合材料的正交异性连续损伤模型。

● 293*mat_comprf (new in R10,see article in www.lstc.com/new_features)

对预浸渍（预浸）复合纤维在高温成型过程中的行为进行建模，除了提供应力和应变，它还提供成型过程后纱线的经向和纬向拉伸比。该模型主要应用于轻量化汽车零件的材料。

注意：

（1）第五届国际LS-DYNA用户大会（1998年）上，Karl Schweizerhof等人发表的论文“Crashworthiness Analysis with Enhanced Composite Material Models in LS-DYNA-Merits and Limits”，对LS-DYNA中的几种复合材料模型给出了一些介绍，包括MAT_54、MAT_58和MAT_59。

（2）如果*database_extent_binary 中的CMPFLG（和STRFLG）被设置为1，应力（和应变）将输出在材料坐标系下而不是全局坐标系下。

（3）层间分层模拟。

一种方法是为每层复合材料建立一层壳或实体单元，并将这些层用 tiebreak 的接触连接在一起，如*contact_automatic_one_way_surface_to_surface_tiebreak打卡选项6、7、9（实体单元），或者选项8、10、11（壳单元）。

此外，分层是通过Sig-ZZ来判断的，因此，我们在v.970中的壳单元不适合分层预测（在平面应力壳算法中，Sig-ZZ为零）。

新的“thickness-stretch”壳仍然处于试验阶段，它们在预测分层方面的应用还没有得到证实。

当与实体单元一起使用时，mat_022和mat_059包含分层破坏准则。

mat_161使用实体单元可进行分层预测。

作为上述tiebreak接触的另一种选择，粘胶单元可以用来模拟层间的黏结。

Tabiei 博士开发了自己的基于微观力学的复合材料模型，其中包括分层效应。这些模型目前都不包含在LS-DYNA中。

（4）关于mat_58。

拉伸应力随应变的增加而减小的速率取决于拉伸强度下的应变ExxT，ExxT值越大，应力下降越缓慢。

对于具有速率效应的mat_058，请参见mat_158。

ERODS是单元层失效的最大有效应变，1表示的是100%的应变。

最新版本的用户手册指出：ERODS＞0.0，假定材料体积不变，用有效应变超过ERODS来计算失效；ERODS＜0.0，从全应变张量计算出的有效应变超过|ERODS|来计算失效。

在此详细说明一下：当 ERODS＞0.0 时，根据两个平面内法向应变和平面内剪切应变计算的标量应变来评估 ERODS，计算中使用到的 3 个应变值可作为额外的历史变量10、11和12输出。

在971版本中，这个标量应变是历史变量＃15。若要获得写入d3plot的15个额外历史变量，需要在*database_extent_binary中设置NEIPS=15。

当ERODS＜0.0时，Abs（ERODS）是根据一个标量应变来评估的，该标量应变更接近传统定义的有效应变，该应变考虑了厚度方向的应变和横向剪切应变。添加这个选项是为了回应这样的观点，即历史变量15与LS-PrePost绘制的“有效应变”不一致。

当积分点的有效应变超过 ERODS 时，积分点就会失效，并且应力为零。单元直到所有积分点都失效后才会被删除。

无论 ERODS 是负值还是正值，它都将处于文献所描述的经典有效应变的大致范围内。我们认为一个基于任何标量应变量的失效准则只能提供一个真实失效的近似。如果你对使用 ERODS 作为失效准则感到不合适，请将其设置为一个非常大的值，以便禁用它。有几种基于应变的失效准则，你可以选择使用*mat_add_erosion。

（5）关于mat_059（壳）中可用的额外历史变量：

（6）对于材料22、54、55、58和59，所有的强度，包括抗压强度都应作为正数输入。

（7）关于夹层复合材料的自适应网格：在R9.0.1中添加了一个新的函数可对夹层部分的网格进行细化。上、下层为壳单元，中间层为实体单元。在*control_adaptive 中将IFSAND设置为1。可应用于8节点和6节点实体单元，把应力和历史变量映射到新的单元上。