材料失穩
關注創建者：君成序 創建時間：2019-06-23
材料失穩的視頻教程
ANSYS-WorkBench教程 中階教程（第二講）
包含的案例： 1、球柵陣列封裝焊點的熱穩態分析與熱瞬態分析 2、試劑混合器的工藝模型的熱力耦合分析 3、非線性屈曲分析（皮碗的失穩2D算例+3D算例）； 在工程中常見的非線性材料失穩、收壓縮部件，當載荷達到一定限度時，會出現屈曲失穩現象。此類問題不僅要考慮到強度，更需要考慮屈曲的穩定性。
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材料失穩的實例教程
材料失穩
塑性變形可分為兩個階段，在工程應力達到抗拉強度之前為均勻塑性變形，超過抗拉強度后出現頸縮現象（材料失穩），發生局部集中塑性變形。
對于常規的有限元算法，真實應力應變曲線出現下降段（材料失穩）以后，隱式算法往往表現出結果分叉，不收斂的情況，顯式算法則表現出強烈的網格依賴性。
材料失效與應力三軸度
對現有金屬材料研究發現，失效應變受應力狀態影響，材料所受應力狀態不同時，材料內產生的塑性變形與應力集中程度將不同，材料失效應變也會發生變化。
下圖為某鋁合金材料失效塑性應變與應力三軸度的曲線。
累積損傷算法
現有的結構損傷分析中，大多數采用線性累積損傷算法（如JC失效模型），不能準確反映實際的非線性累積損傷過程。非線性累積損傷模型相比線性累積損傷模型更能準確反映出實際的非線性累積損傷過程，而線性累積損傷模型偏保守。
不同失效準則和不同累積損傷算法的仿真差別
GISSMO失效模型
單元尺寸對失效應變的影響
由于材料失穩后的應變帶有強烈的網格依賴性，而損傷及失效應變均和材料失穩后的應變相關，為了消除單元尺寸對失效應變的影響，GISSMO本構中引入了單元尺寸和失效應變歸一化因子LCREGD。
實例驗證
以簡單的單軸拉伸試驗為例：
損傷閥值DCRIT設定為0.5時計算結果如下：
材料失穩后中間單元先失效，符合單軸拉伸試驗規律。
展開 玻璃是我們日常生產生活中不可或缺的重要材料，脆性是玻璃最突出的特征之一，災難性的脆性斷裂也制約了玻璃的更廣泛應用。對玻璃失穩斷裂機理的研究不僅關乎玻璃自身力學性能的優化，也對認識無序系統的力學失穩提供科學指導。傳統玻璃態材料（如氧化物玻璃）被認為是理想的脆性材料，根據經典的固體斷裂力學理論，其脆性斷裂是通過原子鍵的依次斷裂進行，而不發生原子的塑性流動。但是，近年來不少研究提出了傳統脆性玻璃也有可能在微觀尺度上發生塑性流動的觀點。關于玻璃斷裂時能否發生塑性變形一直是學術界長期爭議的基本科學問題。
玻璃家族的新成員，金屬玻璃（又稱非晶合金）不但具有優異的力學性能，也是研究玻璃態材料失穩斷裂的模型體系。金屬玻璃斷裂表面上可以呈現出豐富的、多尺度的圖案特征。如近年來在許多金屬玻璃的斷面上發現了納米尺度的周期性條紋。對這些斷面特征的研究不僅挑戰了人們對傳統的斷裂理論的認識，也揭示了遠離平衡態的無序固體體系力學失穩的復雜性和有序性。斷面圖案特征的形成必然和裂紋在玻璃固體中的形成和擴展過程密切相關。但觸發災難性脆斷的裂紋是如何起源，又是如何擴展的？這已經成為非晶態物理和材料領域內亟需回答的根本性問題之一。
近年來，大量的理論和模擬工作預言了金屬玻璃斷裂過程中的空穴（cavitation）行為，意識到空穴形成可能是主導金屬玻璃甚至其他非晶體系失穩斷裂的潛在機制。空穴化或孔洞聚集是塑性材料延性斷裂的典型特征，但是否存在于以金屬玻璃為代表的玻璃態材料的宏觀脆性斷裂中尚未得到確切的實驗證實。
展開 基于應變失配原理，通過預設的材料部署（例如將兩種具有不同熱膨脹系數或溶脹率的材料粘合），可以實現具有主動變形能力和可控響應特性的超結構（如圖2）。第三種是力學失穩原理，包含了微觀和宏觀的結構失穩兩個層面。在微結構層面，材料被認為是幾種相的結合，其中均勻線彈性相具有正定模量，而非正定彈性模量相具有負剛度，這些成分由于相互約束而暫時穩定。根據勢能最小原理，微結構材料將按照能量最小的順序排列，具有非凸能勢的材料會跳過均勻變形，迅速躍遷到低勢能的位置，表現出相轉換、疇變、應變局部化等宏觀不穩定性。因此，基于材料失穩的超結構設計的核心是控制加載過程中材料最小勢能點的數量和最小勢能點出現的時間。在宏觀結構層面，力學不穩定表現為屈曲、扭曲、起皺、折疊、壓痕等，這些大變形和旋轉導致結構的模式轉換。基于力學失穩設計的AMMs如圖3所示。
圖2 基于應變失配原理的智能驅動力學超結構
圖3 基于力學失穩原理的智能驅動力學超結構
除了力學構筑原理，外激勵物理場的可控性和高效性也是AMMs設計的重要依據。
（1）熱驅動型AMMs，常用的材料包括形狀記憶聚合物或合金、過度金屬氧化物、熱響應液晶彈性體和熱響應水凝膠等，由于其控制手段簡便而被應用得最為廣泛。如圖4(a)所示，結合手性構型和形狀記憶聚合物，研究人員開發出了力學性能可調節、變形可恢復的智能超結構；圖4(c)展示了一種多材料水凝膠血管支架，能夠在人體內進行受控的藥物輸運和藥物釋放；如圖4(f)則是一種能夠通過環境溫度調節其力學性能的折紙結構。實際上，后面幾類基于電熱、光熱和磁熱原理的AMMs，本質上都屬于熱驅動型。
展開 如果網格重劃分之后在初始運行的不收斂時間之前又不收斂了，則新劃分的網格質量不夠好，或者存在其他與網格畸變無關的問題（如幾何或材料失穩）。
建議
要使用網格重劃分進行類似的三維模擬，請考慮以下提示和建議：
• 熱軋過程可以通過兩個載荷步的靜態分析進行模擬。第一個加載步驟推動鋼坯，直到鋼坯與輥子建立接觸，第二個加載步通過旋轉輥子拉動鋼坯。
• 網格重劃分之前，備份結果并在單獨的目錄中新啟動與初始運行相關的文件。重劃分會更新結果并重啟動文件，因此如果希望在另一個子步中嘗試重劃分，則原始文件將不再可用。
• 如果在原始網格過于扭曲的子步驟中執行網格重劃分（其中形狀檢查[SHPP或CHECK]指示錯誤），則網格重劃分將不起作用。因此，應在更早的子步中重劃分。
• 與原始網格相比過于精細的新網格可能會導致映射（MAPSOLVE）錯誤。
• 新網格的主要要求是它應正確捕捉變形模型的外表面幾何圖形。
• 重劃網格（REMESH、FINISH）后檢查模型，以驗證所有邊界條件、接觸對，并且載荷已經從原始網格正確地轉移到新網格。
• 重劃分后，如果分析在經過初始運行的發散時間后再次發散，則多次重劃分可能是必要的。如果分析在通過初始運行的發散時間之前再次發散，則新網格質量不足，或其他與網格變形無關的問題（如幾何和材料不穩定性）。
展開 如不考慮損傷累積過程對材料承載能力的影響，則會低估結構失效風險。為此，*MAT＿81材料本構模型引入了應力衰退現象，當單元應塑性變εp達到臨界應變εc時，該單元硬化特性將進行縮放，縮放系數與損傷累積過程呈線性關系，其失效準則定義如下。*MAT＿81材料本構模型考慮了損傷與應力耦合效應，但模型失效準則簡單，應用場景有限。
式中，εc為臨界塑性應變；為單元修正后的應力值。
為克服不同的材料本構模型在預測失效行為的局限性，Neukamm等[9]針對LS-DYNA求解器開發了廣義增量應力狀態相關模型（Generalized In?cremental Stress State dependent Model,GISSMO）。GISSMO失效模型在MAT＿81基礎上進一步引入了自定義失效準則、非線性損傷累積、非線性損傷-應力耦合以及單元尺寸、應變率效應修正等特性，可以更加準確地描述金屬材料在變形過程中損傷行為。在GISSMO損傷模型中，單元損傷累積值D及失穩累積值F可表示為：
式中，n為損傷及失穩累積值累積指數；β(Le,η)為與單元特征長度Le及應力三軸度η有關的修正項；εc為當前時間增量步對應的材料失穩極限值。當單元的失穩累積值F達到設定上限時，通過以下方式對單元的進行修正：
式中，m為應力退化指數；Dc為單元達到失穩上限時刻對應的損傷累積值。
由上述的各個失效模型原理可知，GISSMO模型是目前LS-DYNA求解器功能最為完整的失效模型，在對超高強鋼材料碰撞失效行為仿真預測精度有較高要求時，推薦使用該模型來表征材料失效行為（表1）。
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在GISSMO損傷模型中，單元損傷累積值D及失穩累積值F可表示為：
式中，n為損傷及失穩累積值累積指數；β(Le,η)為與單元特征長度Le及應力三軸度η有關的修正項；εc為當前時間增量步對應的材料失穩極限值。當單元的失穩累積值F達到設定上限時，通過以下方式對單元的進行修正：
式中，m為應力退化指數；Dc為單元達到失穩上限時刻對應的損傷累積值。
材料失穩必然是集料發生了破壞。第二是破壞后，破裂面其實是會在集料邊緣繞行的。
這里應該可分析的東西挺多的，精力有限，暫不做深入的分析。
還是按老規矩，集贊50可得當前項目包。
如果網格重劃分之后在初始運行的不收斂時間之前又不收斂了，則新劃分的網格質量不夠好，或者存在其他與網格畸變無關的問題（如幾何或材料失穩）。
建議
要使用網格重劃分進行類似的三維模擬，請考慮以下提示和建議：
• 熱軋過程可以通過兩個載荷步的靜態分析進行模擬。第一個加載步驟推動鋼坯，直到鋼坯與輥子建立接觸，第二個加載步通過旋轉輥子拉動鋼坯。
然而，較高的屈服強度及有限的加工硬化能力通常會導致納米結構材料的塑性失穩；此外，在制備塊體納米結構材料的過程中，往往會引入大量的位錯等缺陷，這會進一步降低材料的加工硬化能力，從而降低其均勻延伸率，限制其工程應用。
因此，基于材料失穩的超結構設計的核心是控制加載過程中材料最小勢能點的數量和最小勢能點出現的時間。在宏觀結構層面，力學不穩定表現為屈曲、扭曲、起皺、折疊、壓痕等，這些大變形和旋轉導致結構的模式轉換。基于力學失穩設計的AMMs如圖3所示。
近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室EX4組博士生沈來權（現為松山湖材料實驗室博士后）在白海洋研究員、孫保安副研究員和汪衛華院士的聯合指導下，首次實驗證實了玻璃材料斷裂的空穴失穩機制。
④材料應變而失穩，減少潤滑，增加壓應力，調節彈簧力。
⑤對跳廢料的模具進行加工。
⑥作業時產品刮到模具定位或其它地方造成刮傷，需修改或降低模具定位，教育作業人員作業時輕拿輕放。
6.工件折彎后外表面擦傷
①原材料表面不光滑，清潔、校平原材料。
②成型入塊有廢料，清除入塊間的廢屑。。
鋼筋混凝土構件除了可能由于材料強度破壞或失穩等原因達到承載能力極限狀態以外，還可能由于構件變形或裂縫過大影響了構件的適用性及耐久性，而達不到結構正常使用要求。因此，鋼筋混凝土構件除要求進行持久狀況承載能力極限狀態計算外，還要進行持久狀況正常使用極限狀態的計算，以及短暫狀況的構件應力計算。
21.04.24補充說明：
怎么看有沒有點火（著火）：計算結束時直接停止，可以畫下溫度-時間曲線，若溫度梯度很大，說明材料內部已失穩，請參考文獻試驗與仿真結果：
2. 升溫速率怎么更改：請在 邊界條件 根據情況修改升溫速率。
初始正文
含能材料在慢速烤燃試驗中因內熱源的存在，即受熱分解，最終引導燃燒、爆炸等劇烈反應。
④材料應變而失穩，減少潤滑，增加壓應力，調節彈簧力。
⑤對跳廢料的模具進行加工。
⑥作業時產品刮到模具定位或其它地方造成刮傷，需修改或降低模具定位，教育作業人員作業時輕拿輕放。
