剪切損傷的案例
【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準則---{ 問題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點的損傷初始化準則，以及cd段的損傷演化（損傷后材料剛度退化路徑）。材料軟化后可持續承載，直到達到d點，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區間應力-應變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準則，包括韌性準則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準則（shear damage）。也就是圖2中紅框內的三個準則，它們都屬于金屬承載后產生裂紋的準則。
金屬板的徑縮不穩定損傷初始化準則，包括幾種成形極限圖，用于評估鈑金件的可成形性。也就是紅框外的幾個準則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構模型導圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準則和剪切準則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機理時用到不同的損傷起始準則（hooputra2004）：
機理1，由于內部（微裂紋）的成核、生長和孔隙的聚集產生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機理1韌性斷裂
機理2，由于剪力帶局部化產生的剪切斷裂，這時shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 二維切削仿真 剪切損傷參數
求一組剪切損傷參數
晶體塑性每日文章推薦（十一）
自1978年Gurson模型被提出以來，GTN模型進過了多次演化，根據這些演化的重要性大致可以分為三個階段：1、20世紀80年代Tvergaard及Needleman等人對塑性勢函數的修正并引入孔洞形核及聚合機制；2、Xue和Nahshon, Hutchinson于2008年為GTN模型引入剪切損傷預測機制，增強了模型在低應力三軸度下的成形極限響應精度；3、Zhou和Malcher于2014進一步修正了GTN模型的塑性勢函數，將傳統的連續介質損傷模型與GTN模型耦合為GTN模型在負應力三軸度下的損傷預測提供了一種新的方案。此外仍有一些重大的改進，例如Gologanu基于GTN模型提出的孔洞三維形狀預測、Thomason孔洞聚合模型與GTN模型的耦合、為GTN模型耦合動態再結晶（DRX）進而揭示高溫下孔洞的形核及聚合機制等，這些改進大大的推進了基礎科學的研究進程。然而對于工程塑性加工鄰域，例如軋制、旋壓、鍛造等負應力三軸度下的成形工藝，GTN模型仍舊具備一定局限性。為此本文在Zhou的模型的基礎上對模型在負應力三軸度下的損傷預測機制做出了進一步修正。
在Zhou的模型中，GTN模型的塑性勢函數為：
上式中、和分別為Mises等效應力、流動應力和靜水應力，和為有效孔洞體積分數和連續介質剪切損傷演化因子，和為材料常數。Zhou的模型分離了孔洞演化及剪切損傷的預測模式，在中高應力三軸度下，模型將近似收斂為原始的GTN模型，此時體積損傷占主導地位，相關演化方程為
在低、負應力三軸度下剪切損傷占主導地位，相關演化方程為
由于這種模型分離了體積損傷和剪切損傷，因此總損傷被定義，當總損傷值達到1時及判定材料失效。
展開 使用COMSOL5.5建立脆性材料壓縮摩擦剪切破壞的損傷模型 ￥19.89
使用COMSOL5.5建立脆性材料壓縮摩擦剪切破壞的損傷模型，使用非局部本構模型，包含源程序和論文（非本人所做，僅收取資料查找費）
單軸壓縮實驗
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考慮尺寸效應的剪切修正GTN模型：CMSG-GTN
再次，裂紋最先出現在沖頭刃口附近的對稱面區域，隨后沿著損傷最大的路徑向自由面擴展，這與實驗觀察到的撕裂形貌是吻合的。
作者的初始數值模型：
SEM實驗的斷口特征：
數值框架實現流程圖：
考慮梯度效應的影響效果:
結果表明，引入應變梯度效應后，局部應力水平明顯提高，材料在剪切區內的損傷演化也明顯加快。也就是說，尺寸效應并不只是讓材料“更強”，而是會改變局部變形與失效方式，使超薄板更容易在狹窄剪切帶內發生撕裂。這一點非常關鍵，因為它說明：超薄板沖裁中的斷裂機理，并不是傳統厚板沖裁機理的簡單縮小版，而是一種隨著尺度下降而發生機制轉變的新問題。
推薦這個文章主要有三點原因：第一，在研究超薄板、微成形和微沖裁問題時，不能再機械套用傳統GTN模型，必須重視剪切主導損傷機制。第二，尺寸效應不是附加修正項，而是決定局部應力、損傷演化和裂紋萌生位置的重要因素。第三，從建模角度看，將剪切損傷模型與應變梯度塑性耦合，是理解微尺度金屬斷裂行為的一條很有前景的路線。對于后續開展超薄板塑性成形、切邊質量控制以及微尺度損傷本構建模，這篇文章都提供了很有價值的思路.
不過值得指出的是文中引入 cohesive 單元主要用于裂紋路徑的可視化表達，而其插入區域和參數設置并未像 GTN 參數那樣得到充分展開，因此這一部分更適合作為輔助性的裂紋表征手段，而非全文最核心的機理貢獻。
使用作者提出的完整積分框架，并基于顯式vumat實現，同時使用基于損傷變量的單元刪除方案同時引入ALE自適應網格方案可以更好的預測梯度效應。
展開 abaqus顯式動力學在煤層頂板垮落中的應用
abaqus中的剪切損傷模型+DP塑性準則可以很好的模擬煤層頂板的垮落破壞，但計算時容易產生不收斂問題。
abaqus中的顯式動力學不存在不存在收斂性問題。
所以，剪切損傷模型+DP塑性準則+顯式動力學=完美的煤層頂板仿真模擬。
模擬效果如下：
視頻連接：
仿真任務說明書：
計算任務描述：模擬在煤層巷道開挖后，煤層頂板的垮落情況。
仿真計算所采用的設備基本情況：華碩四核筆記本電腦，酷睿i5處理器，2G內存。
計算模型的處理技術：將實際的三維地質情況，假定為平面應變彈性力學問題；對煤層頂板的力學行為假定為彈性-DP塑性-剪切損傷。
計算機的耗時情況：5min。
仿真結果：在煤層巷道開挖后，煤層頂板可以完全垮落，放頂采煤效果100
展開 GTN模型文章推薦（二十）
之后作者設計了表示純拉伸和純剪切這兩類應力狀態的拉伸試樣，如下圖
通過拉伸實驗的斷口分析：作者驗證了拉伸狀態下，材料的斷口由數量較少的的大孔洞和數量較多的二級微孔洞組成，表明材料是孔洞控制型失效，
而剪切破壞的試樣的表面斷口并無明顯的凹坑，相反出現了明顯的滑移痕跡，因此可以認為是剪切主導失效
有限元模擬也驗證了作者的觀點，拉伸失效的材料與剪切失效材料的自由表面與中心面的損傷發展存在明顯不同，拉伸的中心對稱面的損傷明顯先于外表面，而剪切中心與外表面則無明顯區別，如下圖所示：
同時，作者也詳細對比了失效位置的損傷組成和孔洞發展情況，其差別表現為，拉伸樣品的損傷組成中，剪切只有很小一部分，而剪切試樣中，孔洞演化對損傷的貢獻則很小，拉伸損傷中，前期損傷主要由孔洞生長貢獻，當基體的等效塑性應變高于0.4時，其貢獻主要由孔洞生長貢獻。而剪切失效試樣，則在全過程，孔洞形核的貢獻均高于孔洞生長。
之后，作者為了評估MSG理論引入對材料預測精度的影響，將新提出的模型與原始剪切修正模型做了詳細對比如下圖：
具體而言，MSG引入的影響為：相比于原始模型，引入MSG后在拉伸損傷中，延緩了孔洞的演化，預測材料的延性更接近實際情況，而在剪切損傷中，促進了剪切損傷的發展，預測的延性低于原始模型，也更接近真實情況，因此可以看出，這種建立在考慮微觀材料演化的本構模型其預測能力更強，并且因為考慮了尺寸效應，其預測能力在小尺寸構件中的預測能力會明顯強于原始宏觀模型。
展開 GTN損傷模型介紹及案例演示
因此不同學者針對該現象進行了不同程度的修正，這里選擇剪切修正中最為經典的四個進行說明
（1）Xue（2008）修正模型
該模型的修正思路是，進入剪切損傷對應的等效體積分數
通過lode參數區分材料的應力狀態，即可以區分不同應力狀態下的剪切對于孔洞體積分數的貢獻
（2）Nahshon和Hutchinson（2008）修正模型
可以看到這種剪切修正模型的實質是引入了應力的第三不變量的方式引入剪切應力對孔洞演化的影響
（3）Kim Lau Nielsen和Viggo Tvergaard（2010）修正模型
該模型主要對Nahshon和Hutchinson（2008）進行了修改，因為作者研究發現，NH模型雖然可以改善原始GTN模型低應力狀態下的損傷預測能力，但該模型高估了中等應力狀態下剪切對于損傷的貢獻，于是引入了剪切項的修正系數，該系數是應力三軸度相關的
（4）zhou（2014）修正模型
盡管以上模型都將剪切對于損傷的貢獻考慮進入了原始的GTN模型，但zhou認為這種修改方式高估了孔洞的發展，因為剪切造成的主要是形狀的改變，并有利于孔洞之間的相互聚集，從而造成了低應力狀態下的損傷，而非引起體積的膨脹，同時，上述修正模型依然無法描述負應力三軸度下的金屬材料損傷行為，因此作者將GTN模型與傳統的Lemaitre損傷概念相結合對GTN模型進行修正，修正后GTN的屈服函數表示為
Ds是剪切引起的損傷，作者把原始的體積分數等效為損傷系數，該損傷系數由孔洞損傷和剪切損傷兩部分組成，孔洞損傷部分遵循原始的GTN模型，Ds損傷表示為
可以看到該模型的適用性極好，且更加符合剪切損傷的特征，下圖是該模型預測純壓縮狀態下金屬的損傷
以上是GTN模型以及其剪切修正模型對應的介紹
下圖展示
展開 Abaqus幫助文檔中，鋁合金三點彎曲的案例（延性損傷+剪切損傷）
threepointbending_alextrusion.rar
文檔.pdf
淺談Abaqus單元刪除的一般方法
②單元損傷失效
首先此方法只能在explicit模塊下使用，這一方法本身是為了描述損傷對于材料剛度的影響。ABAQUS通過狀態變量的值來控制單元的刪除與否。具體來說就是：status=1,單元保留;status=0,單元刪除。損傷一般分為拉伸損傷和剪切損傷。對于剪切損傷而言，需要注意首先在property中選擇shear damage.其中的參數選擇視實際情況而定。定義損傷以后還要定義，damage evolution,一般的類型有displacement 和energy。一般選擇displacement。Softening則是控制著具體位移（能量）與損傷的對應關系，見下圖：
接下來要輸入損傷為1的時候的塑性位移值，表達式為：
③VUMAT
Vumat 方法最靈活，難度也最大。在子程序中定義一個狀態變量來表征材料是否失效。為0，失效。為1，正常。然后根據自己的失效準則來給這個狀態變量賦值。子程序中可以定義自己的失效準則和本構方程。
淺談Abaqus單元刪除的一般方法.pdf
展開 Abaqus單元刪除的一般方法
②單元損傷失效
首先此方法只能在explicit模塊下使用，這一方法本身是為了描述損傷對于材料剛度的影響。ABAQUS通過狀態變量的值來控制單元的刪除與否。具體來說就是：status=1,單元保留;status=0,單元刪除。損傷一般分為拉伸損傷和剪切損傷。對于剪切損傷而言，需要注意首先在property中選擇shear damage.其中的參數選擇視實際情況而定。定義損傷以后還要定義，damage evolution,一般的類型有displacement 和energy。一般選擇displacement。Softening則是控制著具體位移（能量）與損傷的對應關系，見下圖：
接下來要輸入損傷為1的時候的塑性位移值，表達式為：
損傷率表達式為：
，即單元的塑性應變乘單元特征長度大于你所規定的值時，單元失效。
③VUMAT
Vumat 方法最靈活，難度也最大。在子程序中定義一個狀態變量來表征材料是否失效。為0，失效。為1，正常。然后根據自己的失效準則來給這個狀態變量賦值。子程序中可以定義自己的失效準則和本構方程。
展開 
abaqus單元刪除的一般方法（轉載）
這種方法首先只能在explicit模塊下使用，這一方法本身是為了描述損傷對于材料剛度衰減的影響而提出的，在help手冊中，它是與復合材料斷裂緊密聯系的。
在這個方法中，abaqus設置了一個status（狀態變量），通過它來控釋單元的刪除與否，當這一變量為1的時候，單元保留而為零0的時候單元刪除，兩者間沒有中間量，只能為0或者1.
通過上面的闡述，我們可以了解到這樣一個問題，單元的刪除是與損傷相聯系的，而損傷的機理一般可以概括為兩種情況，及拉伸損傷和剪切損傷。我主要是針對于剪切損傷進行單元刪除的。所以就在這一位置談談自己的感受吧。
要想使用這種方法進行單元刪除，就必須定義損傷。所以在property中選擇shear damage，這一選項中包括了三個參數，我一般是使用第一個，它的作用是衡量材料在何時開始進入損傷（即damage initial），它所表示的是損傷開始的時候對應的等效塑性應變值。而其他的都設為0，如果所要模擬的情況中包含率依賴，或者是采用Hill plasticity，則可以開啟其后的選項和加溫度狀態變量。而我在計算中由于只是采用金屬的mises，所以對于另外的選項不關心。另外需要注意的是shear damage要與plasitic共同使用。
上面的過程中只是定義了材料開始損傷的初始情況，而材料的最終失效是當材料的損傷值達到1的時候發生的。這是就需要用戶自己來定義材料的損傷演化了（damage evolution），具體定義材料損傷演化的方式較多，可以在shear damage的suboption中看到，一般的類型包括displacement與energy，就是采用位移控制損傷畫著能量控制損傷，我一般選擇displacement。
而在下面的一個選項softening則是控制著具體位移（能量）與損傷對應關系。
展開 單元刪除的一般方法
這種方法首先只能在explicit模塊下使用，這一方法本身是為了描述損傷對于材料剛度衰減的影響而提出的，在help手冊中，它是與復合材料斷裂緊密聯系的。
在這個方法中，abaqus設置了一個status（狀態變量），通過它來控釋單元的刪除與否，當這一變量為1的時候，單元保留而為零0的時候單元刪除，兩者間沒有中間量，只能為0或者1.
通過上面的闡述，我們可以了解到這樣一個問題，單元的刪除是與損傷相聯系的，而損傷的機理一般可以概括為兩種情況，及拉伸損傷和剪切損傷。我主要是針對于剪切損傷進行單元刪除的。所以就在這一位置談談自己的感受吧。
要想使用這種方法進行單元刪除，就必須定義損傷。所以在property中選擇shear damage，這一選項中包括了三個參數，我一般是使用第一個，它的作用是衡量材料在何時開始進入損傷（即damage initial），它所表示的是損傷開始的時候對應的等效塑性應變值。而其他的都設為0，如果所要模擬的情況中包含率依賴，或者是采用Hill plasticity，則可以開啟其后的選項和加溫度狀態變量。而我在計算中由于只是采用金屬的mises，所以對于另外的選項不關心。另外需要注意的是shear damage要與plasitic共同使用。
上面的過程中只是定義了材料開始損傷的初始情況，而材料的最終失效是當材料的損傷值達到1的時候發生的。這是就需要用戶自己來定義材料的損傷演化了（damage evolution），具體定義材料損傷演化的方式較多，可以在shear damage的suboption中看到，一般的類型包括displacement與energy，就是采用位移控制損傷畫著能量控制損傷，我一般選擇displacement。
而在下面的一個選項softening則是控制著具體位移（能量）與損傷對應關系。
展開 ABAQUS材料參數設置
請問各位大佬，我在做碳化硅二維切削，想知道剪切損傷里面的斷裂應變該如何設置，許多論文里面的沒有提到。 求大佬指導
晶體塑性耦合連續損傷本構框架
此模型寫為
含義與上面模型類似，不同的是損傷指標修正改為等效塑性應變
（3）最大剪切應變損傷模型：該模型將損傷定義為當最大剪切應變大于某一臨界值時開始和累積的損傷。此模型寫為
模型將等效應變修改為剪切變形（通常大于等效塑性應變（2-3倍））
（4）最大應變能損傷模型：該模型將損傷定義為當等效應力大于某一臨界值時開始和累積的損傷。在該模型中，損傷是通過應變能累積的。此模型寫為
隨著損傷的累積，材料的承載能力降低。考慮到承載能力的降低，材料的流動應力隨著計算的損傷而降低。定義有效應力為
文獻模擬的結果展示
為了驗證幾種理論的優勢作者與DIC實驗進行了比較
作者最終分析指出：基于應變的損傷模型，即主應變損傷模型、等效塑性應變損傷模型和最大剪切應變損傷模型，準確地預測了實驗獲得的應力-應變關系和頸縮后承載能力的突然下降。然而，基于應力的損傷模型，即應變能損傷模型，不能準確預測頸縮行為。預測的頸縮應變、變形形狀和頸縮方向也與實驗結果進行了比較。預測的頸縮形狀（即頸縮區域的長度和最小片材厚度）的最大誤差約為24%。在三種基于應變的損傷模型中，最大剪切應變損傷模型預測頸縮角最準確，誤差為12%。結果表明，具有損傷模型的CPFEM可以合理地預測頸縮行為和頸縮方向，而沒有任何初始缺陷。
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