[发明专利]考虑非线性和应变率效应的材料交互界面数值模拟方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Dynamic Increasing Factor，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。

发明内容

本发明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，本发明采用的解决方案为：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：