韌性損傷
關(guān)注創(chuàng)建者：USim 創(chuàng)建時間：2019-05-07
韌性損傷的視頻教程
韌性損傷的實例教程
Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點的損傷初始化準(zhǔn)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(xù)承載，直到達(dá)到d點，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區(qū)間應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準(zhǔn)則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準(zhǔn)則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準(zhǔn)則，包括韌性準(zhǔn)則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準(zhǔn)則（shear damage）。也就是圖2中紅框內(nèi)的三個準(zhǔn)則，它們都屬于金屬承載后產(chǎn)生裂紋的準(zhǔn)則。
金屬板的徑縮不穩(wěn)定損傷初始化準(zhǔn)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(zhǔn)則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進(jìn)損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構(gòu)模型導(dǎo)圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準(zhǔn)則和剪切準(zhǔn)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(zhǔn)則（hooputra2004）：
機理1，由于內(nèi)部（微裂紋）的成核、生長和孔隙的聚集產(chǎn)生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準(zhǔn)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(chǎn)生的剪切斷裂，這時shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 在常溫狀態(tài)下，大多數(shù)工程金屬具有較高的韌性，這種情況下，材料的失效分析通常會使用韌性損傷漸進(jìn)失效模型。
如下圖所示，該模型完整的定義了材料的彈性階段、塑性階段、損傷起始與損傷演化。材料承載經(jīng)歷彈塑性階段后達(dá)到損傷起始點a，繼續(xù)承載，損傷后的材料剛度折減，出現(xiàn)軟化，直到損傷參數(shù)D=1時，材料剛度退化為0，單元刪除。
韌性材料損傷漸進(jìn)失效模型
工程案例：
鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析
上圖案例中的分析工況按閱讀順序依次是：
沖擊質(zhì)量5kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度200m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度300m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚20mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚50mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚50mm;
付費部分為鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析案例的9種工況共計9個inp文件壓縮包+CAE 源文件壓縮包。
展開 這里Angus給出一個定性結(jié)論（該結(jié)論是基于結(jié)構(gòu)等效單自由度非線性動力反應(yīng)譜大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到）:結(jié)構(gòu)的屈服后剛度大是有利于于結(jié)構(gòu)壓制高階振型的不利影響，有利于降低結(jié)構(gòu)在地震下的峰值響應(yīng)的離散性，有利于提高結(jié)構(gòu)的韌性，但同時較大的屈服后剛度在其他滯回參數(shù)不變的前提下，會降低結(jié)構(gòu)的耗能能力，會增加結(jié)構(gòu)的層間加速度的峰值響應(yīng)，不利于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等等。所以再次驗證，評價一個結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響需要多指標(biāo)同時進(jìn)行，否則得到的結(jié)論就會有失公允。
前文根據(jù)圖2在損傷控制階段前滯回規(guī)則可以得到結(jié)論：主次結(jié)構(gòu)需要有一個合理得剛度比和強度比，可以有效降低殘余變形。而且這個殘余變形可以通過理論推導(dǎo)定量的給出。那么帶來一個問題，這個問題也是做自復(fù)位韌性結(jié)構(gòu)共同面對的：一定要追求靜力下的絕對的或者可忽略的殘余變形么？對于這個問題的而回答，可以說仁者見仁智者見智。如果肯定的回答，我們所定義的韌性結(jié)構(gòu)的滯回規(guī)則就需要嚴(yán)格滿足一三象限的旗幟型規(guī)則。對于具有旗幟性滯回規(guī)則的結(jié)構(gòu)，相較于在同等剛度/強度或者等效強度/剛度下的具有近似理想彈塑性普通鋼框架而言，則其耗能能力是顯著降低的，帶來的問題就是高階振型可能顯著影響（這里是可能），加速度響應(yīng)會顯著提高。所以經(jīng)過上述的討論，似乎基于不同屈服點鋼的損傷控制結(jié)構(gòu)的性能可以介于完全復(fù)位和傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)之間的一種較優(yōu)的選擇。從靜力的角度而言，合理的剛度/剛度的主次配比，它可以一定程度降低結(jié)構(gòu)的殘余變形，從動力學(xué)的角度，由于相對較多的耗能和較大的屈服后剛度可以抑制高階振型的不利影響并降低層間加速度對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損害。
展開 漸進(jìn)性損傷與失效：概覽（Progressive damage and failure: overview）
一、漸進(jìn)性損傷與失效
ABAQUS主要提供以下模型來預(yù)測漸進(jìn)損傷與失效：
（1）韌性金屬的漸進(jìn)損傷與失效（Progressive damage and failure for ductile metals）：
ABAQUS具有模擬韌性金屬漸進(jìn)性損傷與失效的基本功能：（1）該損傷與失效模型可以與Mises、Johnson-Cook、Hill以及Drucker-Prager塑性模型聯(lián)合使用；（2）該損傷與失效模型支持定義支持一種或多種損傷初始準(zhǔn)則，包括韌性ductile，剪切shear，成形極限圖forming limit diagram （FLD），成形極限應(yīng)力圖forming limit stress diagram（FLSD），成形極限圖Müschenborn-Sonne forming limit diagram（MSFLD）和Marciniak-Kuczynski（M-K）準(zhǔn)則。指定損傷初始準(zhǔn)則后，材料剛度會根據(jù)指定的損傷演化規(guī)律進(jìn)行漸進(jìn)地退化。
漸進(jìn)損傷與失效模型允許材料剛度呈現(xiàn)平滑退化，故適合準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)分析，比動態(tài)失效模型（Dynamic failure models）具有很大的優(yōu)勢（注：ABAQUS/Explicit提供動態(tài)失效模型（Dynamic failure models），適用于高應(yīng)變率動態(tài)問題）。
Johnson-Cook和M-K損傷初始準(zhǔn)則不適用于ABAQUS/Standard分析（即隱式迭代方法）。
展開 如果材料模型中沒有定義損傷，Abaqus 將持續(xù)依據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系評估結(jié)構(gòu)的行為。可以定義損傷初始化準(zhǔn)則和損傷演化準(zhǔn)則準(zhǔn)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(jīng)歷損傷的材料的應(yīng)力應(yīng)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(yīng)。當(dāng)應(yīng)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(yīng)變，εplf 是失效時的等效塑性應(yīng)變。在失效點處，總體損傷變量達(dá)到 D = 1 的值。這個總體的損傷變量 D 包括材料中發(fā)生的所有活動損傷機制的綜合效應(yīng)。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(xiàn)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(yīng)力如何演化。這篇文章詳細(xì)介紹了韌性損傷模型的這兩個方面。
延性損傷準(zhǔn)則
這是一種基本的損傷模型，用于使用單軸試驗數(shù)據(jù)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(zhǔn)則可與狀態(tài)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(shè)啟動損傷時的等效塑性應(yīng)變εplD是應(yīng)力三軸度和應(yīng)變率的函數(shù)。當(dāng)材料積分點滿足以下條件時，損傷啟動即發(fā)生。
這里，ωD是隨著材料中的塑性變形單調(diào)增加的狀態(tài)變量，η是應(yīng)力三軸度，而ε.pl是等效塑性應(yīng)變率。應(yīng)力三軸度的計算公式為：η=-P/q. 這里，p是應(yīng)力張量的靜水壓力，q是von Mises等效應(yīng)力。不同加載模式的應(yīng)力三軸性值給出在下表中。
展開 
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韌性損傷的最新內(nèi)容
1.2.總體功能
本插件涵蓋SHPB仿真全流程，建模除了包含撞擊桿-入射桿-透射桿和圓柱試樣外，還包含整形片和吸收桿，示例材料包含鋼材、鋁合金、銅，部分本構(gòu)參數(shù)包含金屬線彈性、J-C塑性和J-C損傷、韌性損傷等，能輸出入射桿、透射桿件中間點位置的（工程）名義應(yīng)變、真實應(yīng)變、真實應(yīng)力的時域曲線，主要功能如下：
①建模包含撞擊桿、整形片、入射桿、透射桿、吸收桿；
②在插件界面設(shè)置好參數(shù)后，一鍵全流程仿真
此外，還同時使用了韌性和剪切起始準(zhǔn)則（ductile and shear initiation criteria）：韌性準(zhǔn)則以損傷起始時的塑性應(yīng)變作為應(yīng)力三軸度（stress triaxiality）的表格函數(shù)進(jìn)行定義；剪切準(zhǔn)則以損傷起始時的塑性應(yīng)變作為剪切應(yīng)力比（shear stress ratio）的表格函數(shù)進(jìn)行定義。
希望這篇文章對韌性損傷準(zhǔn)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
01
概 述
對于常規(guī)的CAE失效問題，針對以不同的單元網(wǎng)格尺寸建模分析韌性金屬材料損傷模型
希望這篇文章對韌性損傷準(zhǔn)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
01
概 述
對于常規(guī)的CAE失效問題，針對以不同的單元網(wǎng)格尺寸建模分析韌性金屬材料損傷模型
韌性金屬材料的斷裂通常受微孔洞的形核、生長和最終聚結(jié)所控制，由于孔洞生長階段通常在韌性斷裂過程中起著至關(guān)重要的作用，系統(tǒng)研究韌性金屬材料內(nèi)部孔洞生長機制對理解韌性金屬材料的損傷演化具有重要意義。非均相多晶體中微孔生長的尺寸依賴問題，除了微孔尺寸外，晶粒尺寸和微孔與晶粒的尺寸比是另外兩個重要的特征長度。
微信公眾號：【OpenSEES抗震筆記】 為STKO for OpenSEES軟件官方公眾號。公眾號致力于成為結(jié)構(gòu)抗震專業(yè)學(xué)習(xí)平臺，分享抗震相關(guān)的動力學(xué)理論，實用編程，以及常用軟件技巧。特別針對基于OpenSEES的非線性分析和相應(yīng)理論以及二次開發(fā)。
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小編寄語
圓柱拉伸試樣的有限元分析
將修訂后的曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus 有限元分析軟件，對拉伸試樣的韌性損傷閥值D 進(jìn)行分析，如圖6所示。可以看出圓柱形光滑拉伸試樣在拉伸至斷裂過程中，試樣中心區(qū)域的DUCTILE 值最先達(dá)到1。
模型設(shè)置
模型難點在材料設(shè)置上，采用韌性損傷準(zhǔn)則，考慮應(yīng)力三軸度，損傷演化等。
應(yīng)在場變量輸出中勾選剛度退化、損傷起始準(zhǔn)則及單元刪除。
3. 結(jié)果對比
頸縮
斷裂
