19.Abaqus累积损伤与失效解析

第19章累积损伤与失效1总结本章主要讲解累积损伤与失效的概论、塑性金属材料的累积损伤与失效和纤维增强复合材料的累积损伤与失效。其中重点内容有：塑性金属材料损伤萌生准则，包括有：塑性准则、Johnson-Cook准则、剪切准则、成形极限图准则、成形极限应力图准则、M-K准则和M-S成形极限图准则，其中M-K准则较难理解。塑性金属材料的演化规律，包括有：基于有效塑性位移的损伤演化规律和基于能量耗散理论的损伤演化规律。塑性金属材料失效后网格中单元的移除，其中壳单元的移除较难理解。纤维增强复合材料损伤萌生准则，包括有：纤维拉伸断裂、纤维压缩屈曲和扭结、基体拉伸断裂和基体压缩破碎。纤维增强复合材料损伤的演化，四种失效模式（纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体拉伸断裂失效和基体压缩破碎失效）均基于能量耗散理论，并对应不同的损伤变量，其中损伤变量的求解比较繁琐。第19章累积损伤与失效2目录19累积损伤与失效分析..............................................................................................319.1累积损伤与失效概述....................................................................................319.1.1累积损伤与失效................................................................................319.2金属塑性材料的损伤与失效.......................................................................619.2.1金属塑性材料损伤与失效概论........................................................619.2.2金属塑性材料损伤初始阶段............................................................819.2.3塑性金属材料的损伤演化与单元的移除......................................2419.3纤维增强复合材料的损伤与失效.............................................................3519.3.1纤维增强复合材料的损伤与失效：概论.......................................3519.3.2纤维增强复合材料的损伤初始产生..............................................3819.3.3损伤演化与纤维增强复合材料的单元去除..................................41第19章累积损伤与失效319累积损伤与失效分析19.1累积损伤与失效概述19.1.1累积损伤与失效Abaqus提供了以下材料模型来预测累积损伤与失效：1）塑性金属材料的累积损伤与失效：Abaqus/Explicit拥有建立塑性金属材料的累积损伤与失效模型的功能。此功能可以与theMises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager等塑性材料本构模型一起使用（塑性材料的损伤与失效概论，19.2.1节）。模型中提供多个损伤萌生的参数标准，其中包括塑性准则、剪切准则、成形极限图（FLD）、成形极限压力图(FLSD)，MSFLD和M-K等标准。根据以往的损伤规律可知，损伤开始形成后，材料的强度会越来越弱。累积损伤模型对于材料刚度的平滑减弱是允许的，这在准静态和动态环境中都允许，这也是优于动态失效模型的有利条件（动态失效建模，18.2.8节）。2）纤维增强材料的累积损伤与失效：Abaqus拥有纤维增强材料的各向异性损伤的建模功能（纤维增强材料的损伤与失效概论，19.3.1节）。假设未损伤材料为线弹性材料。因为该材料在损伤的初始阶段没有大量的塑性变形，所以用来预测纤维增强材料的损伤行为。Hashin标准最开始用来预测损伤的产生，而损伤演化规律基于损伤过程和线性材料软化过程中的能量耗散理论。另外，Abaqus也提供混凝土损伤模型，动态失效模型和在粘着单元以及连接单元中进行损伤与失效建模的专业功能。本章节给出了累积损伤与失效的概论和损伤产生与演变规律的概念简介，并且仅限于塑性金属材料和纤维增强材料的损伤模型。损伤与失效模型的通用框架Abaqus提供材料失效模型的通用建模框架，其中允许同一种的材料应用多种失效机制。材料失效就是由材料刚度的逐渐减弱而引起的材料承担载荷的能力完全丧失。刚度逐渐减弱的过程采用损伤力学建模。为了更好的了解Abaqus中失效建模的功能，考虑简单拉伸测试中的典型金第19章累积损伤与失效4属样品的变形。如图19.1.1-1中所示，应力应变图显示出明确的划分阶段。材料变形的初始阶段是线弹性变形（a-b段），之后随着应变的加强，材料进入塑性屈服阶段（b-c段）。超过c点后，材料的承载能力显著下降直到断裂（c-d段）。最后阶段的变形仅发生在样品变窄的区域。C点表明材料损伤的开始，也被称为损伤开始的标准。超过这一点之后，应力-应变曲线（c-d）由局部变形区域刚度减弱进展决定。根据损伤力学可知，曲线c-d可以看成曲线c-d‘的衰减，曲线c-d‘是在没有损伤的情况下，材料应该遵循的应力-应变规律曲线。图19.1.1-1金属样品典型的轴向应力-应变曲线因此，在Abaqus中失效机制的详细说明里包括四个明显的部分：材料无损伤阶段的定义（如图19.1.1-1中曲线a-b-c-d‘）损伤开始的标准（如图19.1.1-1中c点）损伤发展演变的规律（如图19.1.1-1中曲线c-d）单元的选择性删除，因为一旦材料的刚度完全减退就会有单元从计算中移除（如图19.1.1-1中的d点）。关于这几部分的内容，我们会对金属塑性材料（金属塑性材料的损伤与失效概论，19.2.1节）和纤维增强材料（纤维增强符合材料的损伤与失效概论，19.3.1节）进行分开讨论。网格依赖性在连续介质力学中，通常是根据应力-应变关系建立材料本构模型。当材料表现出导致应变局部化的应变软化行为时，有限元分析的结果带有强烈的网格依赖第19章累积损伤与失效5性，能量的耗散程度取决于网格的精简程度。在Abaqus中所有可使用损伤演化模型都使用减轻网格依赖性的公式。这是通过在公式中引入特征长度来实现的，特征长度作为一个应力-位移关系可以表达本构关系中软化部分，它与单元尺寸有关系。在此情况下，损伤过程中耗散的能量不是由每个单位体积衡量，而是由每个单位面积衡量。这个能量值作为另外一个材料参数，用来计算材料发生完全损伤时的位移。这是与材料断裂力学中临界能量释放率的概念一致的。此公式确保了合适能量的耗散以及最大程度减轻网格的依赖。第19章累积损伤与失效619.2金属塑性材料的损伤与失效19.2.1金属塑性材料损伤与失效概论19.2.2金属塑性材料的初始损伤19.2.3金属塑性材料损伤的发展规律及单元的移除19.2.1金属塑性材料损伤与失效概论产品：Abaqus/ExplicitAbaqus/CAE参考：累积损伤与失效，19.1.1节金属塑性材料的初始损伤，19.2.2节金属塑性材料损伤的发展规律及单元的移除，19.2.3DAMAGEINITIATIONDAMAGEEVOLUTION损伤的定义，Abaqus/CAE使用手册（网络HTML译本）12.8.3节概论Abaqus/Explicit拥有建立金属塑性材料损伤与失效的模型的功能。在大多数情况下，此模型需要以下说明：未损伤情况下材料的弹塑性响应（“典型金属塑性”,18.2.1节）损伤初始阶段标准（“塑性金属的损伤萌生,”第19.2.2节)损伤发展变化规律，包括单元移除的选择性（“塑性金属的损伤演化与单元移除,”第19.2.3节)在19.1.1节“累积损伤与失效”中已经给出了Abaqus中累积损伤与失效通用框架的概要。本节将给出金属塑性材料的损伤初始阶段和损伤发展变化规律的概论。另外，Abaqus/Explicit提供了适用于高应变率动力学问题的动态失效模型。（“动态失效模型”，18.2.8节）损伤产生的判断准则第19章累积损伤与失效7Abaqus/Explicit提供多种金属塑性材料产生损伤时的判断标准，每一个都与材料失效的不同类型有关。判断准则可以分为以下类别：金属材料损伤破坏产生的断裂准则，包括塑性和剪切标准。金属片的损伤破坏的颈缩失稳准则，包括用于板料成形性能评估的成形极限图（FLD,FLSD和MSFLD）和考虑了变形历史的，用于定量预测钣金不稳定性的Marciniak-Kuczynski(M-K)标准。这些准则将在19.2.2节“金属塑性材料损伤破坏的产生”中介绍。每一个损伤破坏产生准则都有对应变化的输出来显示在分析过程中是否达到了此标准。一个大于或等于1.0的值表明已经达到此发生准则。对一种给定材料可以规定不只一种损伤破坏准则。如果对同一种材料规定多种损伤破坏准则，那么这些准则是相互独立的。一旦达到了某个损伤产生准则，材料刚度就会按照此准则规定的损伤发展规律逐渐衰减，但是若没有规定损伤发展规律，材料刚度则不衰减。没有规定损伤发展规律的失效机制被认为是无效的。Abaqus/Explicit将会计算仅用于输出的无效机制中的损伤发生标准，但是此机制对材料响应没有影响。输入文件的使用：使用下面选项定义每个损伤破坏产生的准则（可以重复使用定义多个准则）*DAMAGEINITIATION,CRITERION=criterion1Abaqus/CAE的使用：属性模块（Propertymodule）：材质编辑器（materialeditor）：Mechanical→DamageforDuctileMetals→criterion材料损伤演化规律材料损伤演化规律描述了当达到相应的损伤破坏产生准则时材料刚度的衰减速度。对于金属塑性材料的损伤破坏，Abaqus/Explicit假定与每一个有效失效机制相关的材料刚度的衰减可以用标量损伤变量id（iNact）来建模,Nact代表一系列有效的失效机制。在分析中的任何时刻，材料的应力张量都用标量损伤方程式表示。式中D为全局损伤变量，表示在没有损伤的情况下计算出的应力张量，也就是在没有损伤情况下材料内存在的应力。当D=1时材料就失去了承受载荷的第19章累积损伤与失效8能力。默认情况下，当任何一处集成位置的剖分点失去其承受载荷的能力时，一个单元会从网格中移除。全局损伤变量D受到所有有效机制的联合影响，并根据设置规则，依据独立损伤变量id来计算。Abaqus支持塑性金属材料不同损伤演化规律的模型，并提供对于因材料失效导致的单元移除的控制，如“Damageevolutionandelementremovalforductilemetals,”中19.2.3节所述。所有可以使用的模型都旨在缓解损伤累积过程中由于局部应力引起的计算结果的强烈网格依赖性。输入文件的使用：在*DAMAGEINITIATION语句后面使用以下的语句来定义损伤演化规律：*DAMAGEEVOLUTIONAbaqus/CAE的使用：属性模块（Propertymodule）：材质编辑器（materialeditor）：Mechanical→DamageforDuctileMetals→criterion:Suboptions→DamageEvolution单元在Abaqus/Explicit中，金属塑性材料失效建模功能可以用于所有的单元，包括有平动自由度的机械行为单元。对于温度和位移耦合单元，材料的热特性是不受材料刚度累积损伤影响的，除非单元移除的情况出现，此时单元热学特性的影响也被删除。