沖擊壓縮的案例
基于Vumat子程序的復合材料壓縮沖擊破壞預測
同樣的，耐壓縮沖擊性能也是實際工程應用中經常需要考慮的一個性能，但由于復合材料壓縮的破壞形式較為復雜，且對于壁板結構，壓縮過程中又涉及到了穩定性問題，所以對其進行有效的預測具有較大的難度。
本期，我們就講講如何在ABAQUS中基于Vumat子程序來實現對復合材料在壓縮沖擊載荷作用下，有效地預測其破壞模式。
1. 方法概述—“兩步走”
對于本文案例類似的結構，其在壓縮沖擊載荷作用下的破壞模式預測大致可分為兩大步，即穩定性分析和破壞模式預測。
1. 首先，我們需要建立一個屈曲分析步，引入擾動，在Model-edit keyword中添加相關關鍵字，并輸出節點位移文件。
2. 然后，復制模型，修改分析步類型及邊界條件，并在Vumat子程序中構建材料本構，引入失效準則，利用ABAQUS顯式運算的方法，不停迭代產生損傷后的剛度矩陣，直至結構發生破壞。同樣的，在此步驟中也需要對關鍵字進行編輯。
由于壓縮沖擊的破壞模式多種多樣，若需模擬某些特定的損傷模式，可在子程序中進行單元刪除的定義。
2. 案例
本文以碳纖維增強復合材料薄壁方管為例，利用Vumat子程序預測其在沿軸長方向的壓縮沖擊載荷作用下的破壞模式。
2.1 問題描述
試驗件由[0°/90°]的碳纖維布采用RTM工藝固化成型。實驗時，試驗件放置在試驗機底座上，上壓頭以1m/s的速度對試驗件進行壓縮沖擊，其有限元模型如圖1所示。
展開 基于ANSYS/LS-DYNA巖石、混凝土材料SHPB沖擊壓縮模擬資料總結（適用于初學者）
SHPB沖擊壓縮模擬專題筆記整理.pdf
1 實驗裝置基本信息 2
2動態模擬 2
2.1 單軸沖擊壓縮模擬 2
2.2 關鍵字設置 4
3 ANSYS界面 6
3.1 頁面介紹 6
3.1.1主頁面 6
3.1.2 主菜單詳情介紹 8
4 LS-PrePost界面 11
4.1主頁面 11
4.2選項卡 13
4.2.1 選項卡1：后處理工具 13
4.2.2 選項卡2：預處理和后處理 19
4.2.3 選項卡3、4：關鍵字文件編輯 20
4.2.4 選項卡5：預處理工具 22
4.2.5 選項卡7：預處理工具 25
4.2.6 選項卡8：實體顯示界面 26
4.2.7 常用操作界面 26
4.3 新版界面（F11切換） 28
5 常用信息及操作 31
5.1 HJC模型 31
5.1.1參數意義 31
5.1.2 不同強度混凝土HJC模型參考 32
5.2 RHT模型 32
5.3 關鍵字*MAT_ADD_EROSION 33
5.4單位制 34
5.5 截圖 34
5.5.1 ANSYS LS-DYNA 34
5.5.2 LS-PrePost 34
5.6 常用云圖所選取的觀察方式（Fcomp） 35
5.7 半正弦波的生成和加載步驟 36
5.7.1 半正弦波的生成 36
6 常用公式 38
6.1 SHPB實驗 38
展開 LS-DYNA 模擬SHPB沖擊壓縮試驗 ￥15.9
對SHPB沖擊壓縮試驗進行模擬，利用ANSYS APDL 建立1/4模型，并利用LS-PrePost進行k文件修改，給巖石試樣選擇HJC模型，定義接觸和失效準則……
k文件如下
復合材料沖擊后壓縮強度（CAI）測試關鍵要點，確保天舟貨運飛船飛行安全性
材料特性的基本表征包括在不同的載荷條件下進行一系列試驗——拉伸、壓縮、剪切和彎曲。復合材料具有各向異性（即力學性能取決于方向）和不均勻性（即材料成分不均勻，如增強纖維與樹脂基體）。對于關鍵的復合材料應用，通常需要進行其他更復雜的試驗來確定材料在使用條件下以及在典型環境中的耐久性。比如，評估航空航天工業復合材料沖擊后壓縮（CAI）試驗、風能行業疲勞載荷以及汽車碰撞防護的高速拉伸試驗都很重要。
CAI的含義
CAI（沖擊后壓縮強度）實際上有兩種含義：
1） 評定含損傷時的材料性能指標；
2） 復合材料層壓板受沖擊產生損傷后的壓縮強度。前者一定是對特定的層壓板，在特定條件下得到的含沖擊損傷層壓板的壓縮強度；而后者可以是任意的層壓板（包括結構）在壓縮載荷下的壓縮剩余強度；
由于CAI值不僅用于評定材料性能的指標，同時也是用于結構設計確定設計值的基礎，因此纖維增強復合材料的CAI值測試越來越重要，隨著人們對CAI值不斷的理解和深入，由初始僅作為評定樹脂增韌的標準，到目前已用于從材料研制擴展到為結構設計等提供有關損傷容限能力的知識數據需求。
CAI測試標準及注意事項
常用的測試標準為ASTM D7137/D7137M、ASTM D7136/D7136M、ISO 18352，試驗機的同軸度、夾具的選擇以及壓盤的平行度都會對測試結果產生較大影響。
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ABAQUS導入初始場變量（預定義場）多次低速沖擊以及沖擊后壓縮 ￥38
ABAQUS導入初始場變量（預定義場）
通常利用ABAQUS計算時，需要多步驟分析，例如計算多次低速沖擊以及沖擊后壓縮等，下面詳細描述利用數據傳遞方法進行多步驟分析。（建議購買視頻，視頻內包含此帖子）
導入效果圖如下：
導入的損傷云圖
導入的應力場
導入的位移場
分層損傷的導入
1. 計算完成后，新建一個ABAQUS 窗口，切記與上一步計算的ODB文件在同一個文件夾下，導入Part部件
聚合物基復合材料沖擊后壓縮強度（CAI）測試標準解讀及主要挑戰分析
但這類材料存在一個關鍵短板——對沖擊損傷異常敏感：微小的面外沖擊（如冰雹撞擊、工具墜落、碎石撞擊），就可能在材料內部造成分層、基體裂紋等難以目視察覺的損傷，進而大幅降低其承載能力，嚴重威脅結構安全。
在此背景下，“沖擊后壓縮”（Compression After Impact, CAI）性能測試，成為復合材料研發、質量控制、選型決策中不可或缺的核心環節，更是連接實驗室標準與市場實際應用的關鍵橋梁。
Background
什么是CAI測試？
很多人將CAI測試誤解為單一的沖擊實驗，實則不然——它是一套完整的系統性能評估流程，核心目的是模擬復合材料在實際服役中“遭遇低能量沖擊后繼續承載”的嚴峻工況，精準考核材料受損后的剩余壓縮強度。
其測試邏輯可概括為兩步：
第一步，通過標準化的落錘沖擊或準靜態壓痕方法，在復合材料層合板試樣上引入可控、可重復的損傷，模擬實際使用中可能遇到的沖擊場景；
第二步，將已產生損傷的試樣固定在專用支撐夾具中，進行壓縮試驗直至失效，最終測定其壓縮殘余強度，以此判斷材料在受損后的結構可靠性。簡單來說，CAI測試就是給復合材料做“抗沖擊后的耐力測試”，直接決定材料能否在復雜工況下安全服役。
Standard
檢測標準解讀
當前，業界普遍遵循ASTM D7136（落錘沖擊）與D7137（壓縮殘余強度）標準體系。這些標準詳細規定了從試樣制備、沖擊引入到最終壓縮測試的全過程。
1. 核心試樣
標準推薦針對厚度為4.0至6.0毫米,建議厚度為5mm的層合板進行測試，鋪層方式對結果有決定性影響。
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Abaqus纖維金屬層合板沖擊后壓縮試驗！（glare板）
已實現層合板斷裂，且已解決網格畸變問題，層間內插cohesive單元，補片與母體間采用cohesive膠接，模型采用hashin失效準則
內附有cae，inp，Vumat 子程序
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纖維復合材料加筋壁板沖擊后壓縮計算剩余強度，采用連續殼單元，內附cae，inp及ODB文件
復合材料沖擊后壓縮CAI 綜述文獻（不斷更新）
復合材料沖擊后壓縮CAI 的文獻，我認為總結比較好的文章，分享給大家
[1] Khathyri Fatima, ElkiheL Bachir, Delaunois Fabienn. Review of damages prediction in a composite material at low velocity impact Global Journal of Engineering and Technology Advances, 01 (01) (2019) 027–42.
REF1.pdf
[2] Raffael Bogenfeld, Janko Kreikemeier, Tobias Wille. Review and benchmark study on the analysis of low-velocity impact on composite laminates. Engineering Failure Analysis, 86 (2018) 72-99.
Ref2.pdf
[3] Youhong Tang, Lin Ye, Zhong Zhang, Klaus Friedrich. Interlaminar fracture toughness and CAI strength of fibre-reinforced composites with nanoparticles – A review. Composites Science and Technology, 86 (2013) 26-37.
ref3.pdf
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實時高溫條件下SHPB沖擊壓縮模擬方法
溫度對于花崗巖力學特性有不可忽視的影響，模擬100℃和200℃下花崗巖SHPB 試驗時必須考慮溫度的作用，借助“隱式-顯式順序求解法”模擬實時溫度下花崗巖的沖擊破壞過程。眾所周知，ANSYS 隱式方法能高效的求解靜載問題，而求解瞬態問題則需要借助顯式方法，“隱式-顯式順序求解法”實質上就是將隱式的求解結果寫入的drelax文件，接著ANSYS/LS-DYNA 讀入這些變形，并且對描述的幾何模型進行初始化，之后再進行瞬態求解。計算具體過程概括如下:
(1)取常溫下花崗巖的線熱膨脹系數為8x10-6C-1，首先對試樣施加溫度荷載，求解分析的隱式部分(熱荷載):
(2)改變模型文件名，避免隱式求解結果被顯式求解結果覆蓋
(3)將隱式單元轉換為對應的顯式單元;
(4)更新單元關鍵選項，如材料屬性等;
(5)移除人為施加在模型上的多余約束;
(6)將隱式求解結果(節點位移等)寫入drelax文件:
(7)通過 drelax文件，為顯式求解進行幾何模型的初始化:
(8)為顯式求解施加沖擊荷載和接觸條件:
(9)求解該分析的顯示部分(沖擊荷載)。
雖然ANSYS/LS-DYNA軟件已經提供了大量的材料本構模型，但是仍無法包含一些具有特殊力學性能的材料。正是由于此原因，LS-DYNA 提供了可供用戶自定義的材料本構接口，通過此接口，用戶可以將材料所具有的特殊力學性能嵌入LS-DYNA軟件中，從而完成問題的數值模擬。自定義本構子程序參量包括了材料參數、應變增量、時間步長現時刻應力和歷史變量值等。用FORTRAN或C語言編寫材料本構子程序，應變增量由程序本身根據守恒方程和運動方程獲得，在每個時間步過程中調用子程序求解出應力的增量。
《內容轉載》
展開 ANSYS/LS-DYNA三相細觀骨料混凝土SHPB沖擊壓縮模擬
關于SHPB數值模擬的研究已較為深入，模擬優勢主要在于可通過修正參數使模擬結果與實際一致，以此為基礎對材料的動態破壞過程及更為復雜的工況進行模擬研究，主要研究對象主要分為混凝土、巖石、金屬、陶瓷等材料，并通過LS-DYNA中的RHT、HJC、JC、K&C、CSC等材料模型來模擬上述材料在中高、高應變率荷載作用下裂紋擴展及損傷規律，試件往往采用的是均質模型。
近年來，關于非均質模型的研究已取得一些進展：
1.《Study of concrete damage mechanism under hydrostatic pressure by numerical simulations》一文中建立了考慮骨料、砂漿的兩相混凝土模型，并采用“背景投影法（網格映射法）”建立了六面體非均質混凝土有限元模型。
2.《3D mesoscopic investigation of the specimen aspect-ratio effect on the compressive behavior of coral aggregate concrete》一文中建立了考慮界面層（ITZ）、骨料、砂漿的三相混凝土模型，并采用“背景投影法（網格映射法）”建立了六面體非均質混凝土有限元模型。
3.《基于三維隨機細觀模型的珊瑚混凝土力學性能模擬》一文中建立了考慮界面層（ITZ）、骨料、砂漿的三相混凝土模型，并采用“背景投影法（網格映射法）”建立了六面體非均質混凝土有限元模型。
相比均質有限元模型，非均質有限元模型的仿真結果可信度更高，仿真效果更好，與實際破壞情況更為吻合，該方法具有廣泛的運用前景，可用于靜態力學試驗、動態力學試驗、爆破領域、建筑結構領域等。
展開 包含預制裂紋及纖維包裹層的混凝土動態沖擊壓縮 ￥40
不同方式下的動態沖擊破壞效果如下：
基于Lsdyna的沖擊仿真中零件預壓縮變形的設置求解 ￥5
初始預緊力/應力的施加有多種方法，這里是針對接觸零件之間靠自身的壓縮變形來產生預緊力/應力的情況，如軸孔之間的過盈配合、起到彈性/緩沖作用的零件(材料)初始擠壓變形、常規結構件之間的初始擠壓變形(如彈簧片，相當壓縮彈簧的作用)。
在幾何/有限元建模過程中，這些位置在幾何上/網格上是干涉的，在仿真計算中需要模擬出零件之間的預壓縮狀態。本文給出的簡單案例是基于lsdyna軟件進行沖擊動力學仿真計算，模擬了初始狀態下零件之間的預壓縮變形。
通過本案例，您將掌握以下內容：
沖擊動力學中兩種求解預壓縮變形的計算方法（隱式轉顯式求解方法、動力松弛轉顯式求解方法，求解、輸出控制卡片參數詳細設置，詳見k文件）
接觸卡片<*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_INTERFERENCE>的用法及注意點說明
兩種計算方法下有限元建模時的注意事項
計算結果的解釋及方法使用建議
計算模型及邊界條件示意圖(未施加其他載荷，顯式計算時長設為5ms)：
1) 隱式轉顯式求解方法計算結果：
2) 動力松弛轉顯式求解方法計算結果：
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