(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211055695.4 (22)申请日 2022.08.31 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 娄燕山　王松臣　尚宏春　张冲　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 李鹏威 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 适用于壳单元的通用各向异性塑性变形模 拟方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种适用于壳单元的通用各 向异性塑性变形模拟方法及系统， 后续参数优 化， 只需借助LS ‑OPT软件， 一步对硬化、 屈服和断 裂参数进行优化。 本发明将硬化定律、 屈服函数 和断裂准则进行整合， 在构建的一个有限元模型 中一体化实现所有流程， 通过对比不同维度模拟 结果， 选择材料最合适的本构模型和断裂准则。 考虑了各向同性和各向异性屈服函数、 非耦合韧 性断裂准则， 适用于绝大多数轻质、 高比强度材 料的模拟 。 本发明对数值模拟后进一步参数优化 十分友好， 不必编写参数优化程序， 并调用其他 软件协同操作。 基于产生的LS ‑DYNA求解器， 利用 LS‑OPT软件方便 快捷地对硬化定律、 屈服函数和 断裂准则参数进行同步优化。 权利要求书5页 说明书11页 附图5页 CN 115408910 A 2022.11.29 CN 115408910 A 1.适用于壳单 元的通用各向异性塑性变形模拟方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 利用拉梅弹性常数和剪切模量对弹性张量设置初值； 根据胡克定律， 结合弹性张量的初值计算试应力； 将试应力带入屈服函数和屈服函数的导数中， 并判断试应力是否位于屈服面内， 并对 位于屈服 面外的试应力进行迭代使其返回屈服 面； 更新应力值和等效塑性应 变， 将二者输入屈服 函数和硬化 准则中， 并检查收敛状态； 根据更新后的应力值计算Mises应力、 主应力、 静水应力、 应力三轴度和罗德参数， 再根 据Mises应力、 主应力、 静水应力、 应力三轴度和罗德参数计算非耦合韧性 断裂准则中的韧 性损伤， 根据韧性损伤判断是否发生断裂； 根据屈服函数和非耦合韧性断裂准则得到一体化用户自定义子程序， 根据一体化用户 自定义子程序生成LS ‑DYNA求解器； 基于生成的LS ‑DYNA求解器， 设置LS ‑DYNA用户自定义材料卡片得到不同硬化定律、 屈 服函数和非耦合韧性断裂准则的组合。 2.根据权利要求1所述的适用于壳单元的通用各向异性塑性变形模拟方法， 其特征在 于， 所述利用拉梅弹性常数和剪切模量对弹性张量设置初值， 包括： 基于三维直角坐标系， 利用拉梅弹性常数λ和剪切模量G， 根据式(1)对弹性张量设置初 值： 其中， σx为沿x轴方向正应力， σy为沿y轴方向正应力， σz为沿z轴方向正应力， τzx为x轴方 向剪应力， τxy为y轴方向剪应力， τyz为z轴方向剪应力； εx为x轴方向正应变， εy为y轴方向正 应变， εz为z轴方向正应变， γxy为xy面内的剪应变， γyz为yz面内的剪应变， γzx为zx面内的 剪应变； 对于壳单 元， σz、 τzx和 τyz均为0。 3.根据权利要求1所述的适用于壳单元的通用各向异性塑性变形模拟方法， 其特征在 于， 所述将试应力带入屈服 函数和屈服函数的导数中， 包括： 运用增量理论， 将计算出的试应力， 带入到相关流动准则的屈服函数和屈服函数的导 数中； 所述屈服函数包括各向同性的von  Mises屈服函数， 各向异性的Hill48、 Yld89、 Yld91、 Yld20 00‑2d、 Yld20 04r和Anisotropic Drucker屈服 函数， 具体如下： 权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115408910 A 2其中， k为表征材料屈服特征的参数； F、 G、 H、 l、 M和N均为Hill48屈服函数各向异性状态 常数； f表示屈服函数； σij为应力张量； k1， k2为应力张量不变量； M、 a是根据材料晶体结构确 定的指数； I2， I3分别是应力行列式第二、 第三不变 量； ,u、 b、 c取决于各向异性系数； m为材料 参数； S1,S2为主偏应力； Φ为塑性势； σ 表示单轴屈服应力； s ′1、 s′2、 s′3、 s″1、 s″1和s″1为线性 变换张量主值； J2′为线性变换应力张量的第二不变量， J3′为线性变换应力张量的第三不变 量； d是材料常数； 使用硬化定律计算屈服轨迹尺寸， 所述硬化定律模型包括Hollomon模型、 Swift模型、 Ludwik模型、 Voce模型、 Gosh模型、 Hocket t‑Sherby模型和Sw ift‑Voce模型， 硬化模型如下： Swift模型： σS＝K( ε0+ εp)n                  (10) Voce模型： σV＝A‑Bexp(‑C εp)                (12) Gosh模型： σG＝K( ε0+ εp)n‑A                 (13) Swift‑Voce模型： σSV＝α K( ε0+ εp)n+(1‑α )(A‑Bexp(‑C εp))        (15) 式中， K为强度系数， n为硬化指数， ε0为预应变， εp为等效塑性应变， A、 B和C为材料参数， α 为比例因子 。 4.根据权利要求1所述的适用于壳单元的通用各向异性塑性变形模拟方法， 其特征在 于， 所述判断试应力是否位于屈 服面内， 并对位于屈 服面外的试应力进行迭代使其返回屈 服面， 包括： 检查试应力状态； 若试应力位于屈服面内， 则处于弹性状态， 试应力即为实际应力； 若 试应力位于屈服面外， 则处于塑性状态， 计算塑性修正系数利用Newton ‑Raphson方法将试 应力迭代返回到屈服 面。 5.根据权利要求1所述的适用于壳单元的通用各向异性塑性变形模拟方法， 其特征在 于， 所述断裂准则包括DF2012、 DF2014、 DF2016、 MMC、 Brozzo、 Ko ‑Huh、 Oh、 Rice ‑Tracey、 Clift和Oyane ‑Sato韧性断裂准则， 具体如下： 权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115408910 A 3