任何材料承載機械、熱力或電荷的能力都是有限的。當材料超過其恢復能力的承載時，材料會發生永久損傷。當材料受到外部載荷時，原子和/或分子會移動和重新排列，從而引起應變。如果應變在彈性極限范圍內，材料在卸載時將恢復其原始形狀。

        然而，如果施加的外部載荷超過屈服強度，就會發生永久變形，材料在卸載時將無法恢復原始形狀。例如，在延性金屬中，如果塑性變形超過材料的極限抗拉強度，位錯就會集中在局部區域。任何額外的塑性變形都會導致橫截面積的減小，并在該區域進一步產生應力集中，最終導致材料破裂，如下圖所示。

        損傷是一個高度動態的過程，需要在模擬高應變條件下的構件行為時進行考慮。有許多例子（包括我們制作的這個有趣的例子）使用損傷材料模型進行有限元模擬，以預測不同載荷條件下材料和結構的行為。以下是一些例子：

碰撞安全性分析：在汽車工程中，碰撞安全性分析用于預測車輛在碰撞條件下的行為。使用有限元分析來模擬材料損傷可以預測車輛結構中損傷的程度和位置，以及乘員受傷的風險。

金屬成形模擬：在金屬成形過程中，例如鍛造或沖壓，可以使用軟化材料模型來預測材料中損傷的發生和發展，如開裂或頸縮。這些信息可以用于優化成形過程并防止零件失效。

復合材料分析：由于復合材料（例如碳纖維增強塑料（CFRP））具有各向異性和異質性，因此它們具有復雜的失效模式。使用削弱材料模型的有限元模擬可以用于預測不同載荷條件下復合材料中損傷的發生和發展，如剝離或纖維斷裂。

混凝土結構分析：混凝土結構，如建筑物或橋梁，可能會因多種因素，如風化、地震事件或超載而受到損傷。使用削弱材料模型的有限元模擬可以用于預測不同載荷條件下混凝土結構中損傷的發生和發展，如開裂或剝落。

生物力學分析：在生物醫學工程中，使用削弱材料模型的有限元模擬可以用于預測生物組織（如骨骼或軟骨）在不同載荷條件下的行為。這些信息可以用于設計和優化醫療植入物或假肢。

如果材料模型中沒有定義損傷，Abaqus 將持續依據應力應變關系評估結構的行為。可以定義損傷初始化準則和損傷演化準則準確地表示材料軟化階段的行為。本文將簡要介紹延性損傷模型的損傷初始化和演化的定義。

在 Abaqus 材料模型中引入損傷

下圖顯示了經歷損傷的材料的應力應變行為。實線表示材料受損后的行為，而虛線表示沒有損傷時的材料響應。當應力超過材料的極限拉伸強度（UTS）后，材料的逐漸退化是由于損傷引起的。在圖中，σy0 和 εpl0 是損傷啟動時的 UTS 和等效塑性應變，εplf 是失效時的等效塑性應變。在失效點處，總體損傷變量達到 D = 1 的值。這個總體的損傷變量 D 包括材料中發生的所有活動損傷機制的綜合效應。損傷啟動時的 D 值為零，隨著材料完全破壞，它逐漸增加到 1。

要將損傷模型實現到有限元模擬中，必須考慮兩個方面。一是定義單元何時啟動損傷，另一個是在損傷啟動后單元中的應力如何演化。這篇文章詳細介紹了韌性損傷模型的這兩個方面。

延性損傷準則

這是一種基本的損傷模型，用于使用單軸試驗數據定義金屬的斷裂。在韌性金屬中，斷裂是由孔洞的形成、擴展和合并引起的。該損傷準則可與狀態方程和不同的塑性模型（如Mises、Johnson-Cook、Drucker-Prager和Hill）一起在Abaqus中使用。

損傷初始化

該模型假設啟動損傷時的等效塑性應變εplD是應力三軸度和應變率的函數。當材料積分點滿足以下條件時，損傷啟動即發生。

這里，ωD是隨著材料中的塑性變形單調增加的狀態變量，η是應力三軸度，而ε.pl是等效塑性應變率。應力三軸度的計算公式為：η=-P/q. 這里，p是應力張量的靜水壓力，q是von Mises等效應力。不同加載模式的應力三軸性值給出在下表中。

在分析的每個時間步增量中，損傷變量ΔωD的增量如下計算：

這個增量被添加到前一個時間步驟的狀態變量中，當該狀態變量達到1時就會啟動損傷。如果損傷與等效應變率ε.pl無關，則可以將其值規定為0。在Abaqus中，還可以將溫度和其他場變量的影響納入到這個準則中。

損傷演化

        一旦材料中發生損傷，積分點處的應力進展受到極大影響。材料因剛度的不斷降級而失效。演化定義了在滿足損傷啟動準則后材料如何降級。在失效時的等效塑性應變取決于單元維度，不能用作材料參數。定義演化的選定參數應獨立于模型中的元素尺寸。

• 基于有效塑性位移 - 在這個準則中，損傷是定義為在損傷啟動后塑性位移的函數。這個位移與元素尺寸無關。

• 基于耗散能量 - 在這種演化方法中，定義了材料破裂所需的斷裂能量。這是在損傷啟動后應力曲線下的面積。

小結

損傷是一個高度動態的過程，在模擬受到非常高應變的組件時需要考慮。在Abaqus中有許多損傷啟動和演化模型可供有限元實現。希望這篇文章對韌性損傷準則提供了一些見解，它非常適合模擬金屬的斷裂。

文章來源：ABAQUS仿真世界