📚 课程目录第3章 LS-DYNA材料卡片体系速览

3. LS-DYNA材料卡片体系速览

在LS-DYNA中，材料本构并不是通过图形界面“点选”出来的，而是通过关键字卡片逐字段写入输入文件。理解卡片体系，本质上就是理解三件事：卡片名决定调用哪套本构方程，卡片字段决定这套方程需要哪些参数，卡片之间的组合决定材料在仿真中如何演化。本节从调用方式入手，再逐层展开四类常用卡片的参数含义与适用边界。

一、调用方式：关键字卡片如何被求解器识别

LS-DYNA输入文件以关键字块组织，材料卡片通常写作 *MAT_ 开头，后接材料类型名，例如 *MAT_ELASTIC。每个材料卡片必须配一个唯一的材料ID（MID），后续的 *PART 卡片通过MID把材料赋予具体部件。一个典型的调用结构如下：

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC
$#     mid        ro         e        pr      sigy      etan      beta
         1    7.85e-9  210000.0       0.3     355.0    1200.0       0.0
$#    src        srp        fs        vp
       0.0       0.0       0.0       0.0
*PART
$#   title
shell_part
$#     pid       secid       mid     eosid      hgid      grav    adpopt
         1           1         1         0         0         0         0

这里 mid=1 与 *PART 中的 mid=1 对应，求解器据此把该材料本构绑定到部件上。需要强调的是，单位制必须自洽：上述示例采用mm-ton-s单位制，密度 ro=7.85e-9 对应钢的7.85 g/cm³，弹性模量 e=210000 单位为MPa。若单位制混用，即使卡片语法正确，计算结果也会完全失真。

二、四类常用卡片的参数含义

*MAT_ELASTIC 是最基础的线弹性卡片，仅需密度、弹性模量 e 和泊松比 pr。它不设屈服面，应力随应变线性增长，适合刚性夹具、弹性垫块或仅关心刚度不关心塑性的部件。其局限也很明确：一旦应力超过材料真实屈服点，结果不再具有物理意义。

*MAT_PLASTIC_KINEMATIC（简称MAT_003）在线弹性基础上引入屈服与硬化。关键字段包括：初始屈服应力 sigy、切线模量 etan、硬化参数 beta。其中 beta=0 表示随动硬化（屈服面平移），beta=1 表示各向同性硬化（屈服面膨胀），0<beta<1 为混合硬化。该卡片还支持应变率相关字段 src 和 srp，通过Cowper-Symonds模型描述屈服应力随应变率提高而上升：

sigy_dynamic = sigy * (1 + (strain_rate / src)^(1/srp))

例如 src=40、srp=5 时，应变率从0.001/s提高到1000/s，屈服应力会显著抬升。MAT_003适合金属薄壁结构的中低速碰撞、准静态压溃等场景，参数少、标定快，但对大应变下的硬化饱和描述能力有限。

*MAT_JOHNSON_COOK（MAT_015）是高速冲击与爆炸仿真中最常用的金属本构之一。它把屈服应力写成应变、应变率和温度的函数：

sigma_y = (A + B*eps_p^n) * (1 + C*ln(eps_rate*)) * (1 - T*^m)

对应卡片字段为：a（初始屈服应力）、b（硬化系数）、n（硬化指数）、c（应变率敏感系数）、m（温度软化指数）、tm（熔化温度）、tr（参考温度）。其中 eps_rate* 为无量纲应变率，T* 为同系温度。MAT_015通常还需配合 *EOS_GRUNEISEN 状态方程描述静水压力，并可通过 *MAT_ADD_EROSION 或 *MAT_JOHNSON_COOK 自带的失效参数控制单元删除。它适合弹道侵彻、爆炸冲击等高压高应变率问题，但参数标定需要分离式霍普金森压杆（SHPB）等动态实验数据支撑。

*MAT_GTN（Gurson-Tvergaard-Needleman）属于细观损伤型本构，用于描述韧性金属中微孔洞的萌生、长大与聚合。其屈服函数不仅依赖应力偏量，还依赖孔洞体积分数 f：

Phi = (q/sigma_y)^2 + 2*q1*f*cosh(-3*q2*p/(2*sigma_y)) - (1 + q3*f^2) = 0

卡片中需要输入 q1、q2、q3 三个Tvergaard修正系数，初始孔洞体积分数 f0，以及孔洞萌生、聚合相关的临界参数。GTN能自然预测裂纹萌生位置和路径，适合铝合金、高强钢的韧性断裂分析，但参数多、标定难度大，通常需要结合拉伸试验的载荷-位移曲线与断口扫描数据反演。

三、卡片选择与参数标定的实际判断

面对一个具体问题，选择哪张卡片取决于三个判断：应变率范围、是否关心断裂、可获得的实验数据。若应变率低于10/s且不关心断裂，MAT_003通常足够；若应变率超过100/s且伴随高压，应优先考虑MAT_015；若需要预测裂纹路径和断裂应变，则GTN或带损伤的JC模型更合适。

参数标定不是“填数”，而是“反演”。以MAT_003为例，sigy和etan可通过单轴拉伸试验的屈服点与硬化段斜率初步确定，beta则需通过循环加载或不同应力三轴度试验区分。以MAT_015为例，a、b、n来自准静态拉伸曲线拟合，c来自不同应变率下的屈服应力比，m来自高温拉伸或SHPB加热试验。标定完成后，必须用独立工况（如不同速度的冲击试验）验证，而不是用标定数据本身“自证”。

实用提示：在LS-DYNA中，材料卡片字段顺序固定，但不同版本可能新增可选字段。建议始终以所用版本的Keyword Manual为准，不要凭记忆填写。若卡片字段留空，求解器会使用默认值，而默认值往往不等于“零”，可能引入非预期行为。

常见错误：把MAT_003的etan误填为弹性模量，或把MAT_015的tm填成室温。前者会导致硬化段完全错误，后者会使温度软化项失效。标定前先确认每个字段的物理含义和单位，比反复调参更有效。

总结来看，LS-DYNA材料卡片体系是一条从“调用”到“参数”再到“验证”的链条：卡片名决定本构形式，字段决定参数维度，MID与PART的绑定决定材料是否真正参与计算，而实验数据与独立工况验证决定标定结果是否可信。掌握这条链条，后续的标定与失效参数识别才有稳定的起点。