漸進失效的案例
【理論知識】Hashin復合材料漸進失效模型原理及參數詳解
在之前的文章里曾經多次提到過Hashin準則，這是目前區分失效模式的判據中應用最廣泛的判據之一，已被Abaqus、Ansys、MSC等大型商業軟件所集成。無論中文還是外文有關采用Hashin準則進行復合材料漸進失效分析的文章也是鋪天蓋地、數不勝數，Hashin于1980年發表的一篇單向纖維增強復合材料失效準則的文章被引用了3790次。在提出該理論時，本來是用于預測單向復合材料失效行為的，然鵝，目前大家基本都在將其應用于層壓板的失效預測。
關于Hashin準則的描述以及在WWFE中的表現，之前已經撰文描述過，此處不再贅述，感興趣的可以點擊下方鏈接了解詳情。
聊一聊世界復合材料失效運動會（WWFE）——搞復材失效而不知WWFE你就out了
復合材料失效理論知多少？（一）
本文主要講解一下Abaqus中使用Hashin失效判據以及基于能量的演化判據進行漸進失效分析時各種參數和變量的定義和來由。有一些讀者對這兩者的組合使用的非常熟練，但并不了解損傷演化過程中失效判據和臨界應變能釋放率是如何控制損傷擴展的，希望通過本文能幫助讀者對復合材料漸進失效分析有進一步的認識。
展開 漸進性損傷與失效（主要是韌性金屬）-- 圖片未顯示的話，可郵箱PDF格式文件 ￥12
漸進性損傷與失效：概覽（Progressive damage and failure: overview）
一、漸進性損傷與失效
ABAQUS主要提供以下模型來預測漸進損傷與失效：
（1）韌性金屬的漸進損傷與失效（Progressive damage and failure for ductile metals）：
ABAQUS具有模擬韌性金屬漸進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則，包括韌性ductile，剪切shear，成形極限圖forming limit diagram （FLD），成形極限應力圖forming limit stress diagram（FLSD），成形極限圖Müschenborn-Sonne forming limit diagram（MSFLD）和Marciniak-Kuczynski（M-K）準則。指定損傷初始準則后，材料剛度會根據指定的損傷演化規律進行漸進地退化。
漸進損傷與失效模型允許材料剛度呈現平滑退化，故適合準靜態和動態分析，比動態失效模型（Dynamic failure models）具有很大的優勢（注：ABAQUS/Explicit提供動態失效模型（Dynamic failure models），適用于高應變率動態問題）。
Johnson-Cook和M-K損傷初始準則不適用于ABAQUS/Standard分析（即隱式迭代方法）。
展開 基于Abaqus/Explicit的復合材料漸進損傷失效模型及VUMAT子程序講解分析（含詳細視頻教程）
(5) 單軸拉伸模型的建立與結果分析，與abaqus自帶的二維hashin和漸進損傷對比。
(6) 模型的改進與結果分析，最終單軸拉伸的剛度誤差為-0.35%，最大應力誤差為-0.38%，失效應變誤差為-0.34%。
??資料配備：
課程提供CAE文件，inp文件，VUMAT子程序源代碼，pdf學習筆記（58頁）
▼掃碼咨詢客服或點擊卡片獲取課程▼
復合材料漸進損傷失效VUMAT子程序詳解
https://www.yqgqt.org.cn/video/c246386
展開 基于Abaqus的vumat進行纖維增強復合材料漸進損傷與失效仿真
筆名：復材失效仿真
關鍵詞：纖維增強復合材料，航空航天，漸近損傷模型，有限元仿真，沖擊
復合材料結構漸進損傷研究
復合材料因其輕質高強廣泛應用于航空航天、交通運輸等領域。當復合材料具備復雜結構（如連接結構）或承受復雜工況（如沖擊載荷）時，層內損傷的模式包括多種損傷模式纖維/基體脫粘、基體開裂和纖維斷裂，從而引起復合材料結構漸進失效。為了模擬這些現象，漸進損傷模型（PDM）在過去二十年中常被使用并已被證明是一種有效的方法。PDM通過材料退化建模模擬損傷開始后的材料性能衰減，為預測復合材料的準脆性破壞過程提供了一個準確的框架。PDM軟化規律的形式由材料裂縫萌生和擴展背后的物理機制決定，并影響初始損傷后的結構承載能力。
連接結構是復合材料應用的薄弱環節，其失效涉及復雜損傷機制。對于復合材料螺栓連接結構，開發三維漸進損傷模型模擬多搭接結構的失效，預測的基體失效、分層擴展失效模式可以與實驗對應。對于復合材料膠接結構，基于損傷演化模型研究了單搭接螺栓復合材料過盈配合接頭的承載行為，數值模型很好地捕捉了復材膠接平面微觀形態中的纖維斷裂和基體裂紋，表明漸進損傷模型在應用中具有較好精確性。
復合材料在服役過程中有可能經受外物沖擊而產生可見或不可見損傷。利用漸進損傷模型對復合材料層合板的沖擊損傷傳播過程進行模擬，可以發現在整個加載過程中，不同損傷模式在層間的非均勻傳播特征。基于漸進損傷模型建立層合板的損傷確定、逐步演化和本構關系等損傷分析過程，能夠精準預測復合材料受單次或多次的沖擊行為。
建立漸進損傷本構模型
建立纖維增強復合材料三維有限元模型，采用實體單元和內聚力cohesive單元分布模擬復合材料層內和層間損傷。
展開 
ABAQUS 2Dhashin漸進損傷失效準則Standard不同于Explicit，及單元不刪除
ABAQUS顯式和隱式Hashin失效的損傷起始判斷準則一致，但是單元刪除策略不同，如下ABAQUS幫助文檔中提到：
1. Standard中，Hashin中所有的失效模式中的損傷系數達到dmax才會認為材料失效。
2. Explicit中，當任意纖維失效模式（纖維拉伸或壓縮）中的損傷系數達到dmax即認為材料失效。
我們回頭來看Hashin失效準則：
隱式計算中，當纖維拉伸失效準則中的失效系數達到1時，材料點還在基體方向繼續有承載。而顯式計算中，纖維拉伸失效滿足后，材料點在基體方向即沒有承載能力。
但是滿足上面的條件還不足以刪除單元，幫助文檔中提到：
1. 隱式計算中需要所有單元截面所有的材料點失效，才會判斷刪除單元。
2. 顯式計算中所有單元截面處任意一個材料點失效，即可判斷單元刪除。
例如一個殼單元中可能有3個材料點（積分點），當其中一個材料點失效時，顯式計算中單元即刪除，隱式計算中單元可以繼續承載。
總結：
1 隱式計算更為保守，需要所有的失效模式達到最大損傷系數，判斷材料點的失效，所有截面的所有材料點失效才能判斷刪除單元。
2.顯式計算中，纖維拉伸/壓縮失效模式達到最大損傷系數，判斷材料點的失效，所有截面的任一材料點失效即會刪除單元。
題外話：在顯式計算中，會出現某些復雜應力狀態下（例如開孔件拉伸），即使滿足了Hashin失效準則，單元仍然具有承載能力。這與ABAQUS內部刪除單元策略有關。不過通過自寫vumat已經可以解決abaqus顯式計算中滿足2D hashin失效而不刪除單元的問題。
展開 技術鄰學院丨直播課的錄播視頻、課件PPT以及原模型插件，都整理出來，請各位學霸們查收！
第一場
ABAQUS傳統結構建模介紹
課程名稱
ABAQUS復合材料分析直播培訓--傳統結構建模介紹
課程簡介
1、傳統復合材料結構建模方式介紹（建模+計算+結果查看）
2、Composite layup快捷建模（建模+計算+結果查看）
第二場
ABAQUS加筋板結構建模分析
課程名稱
ABAQUS復合材料分析直播培訓--加筋板結構建模分析
課程簡介
1.復合材料加筋板結構建模分析（3種加筋方式）
2.蜂窩夾層結構建模與分析：等效彈性常數建模/蜂窩細節建模
3.圓柱坐標系/離散坐標系在復合材料建模中的應用
第三場
Abaqus內嵌二維Hashin漸進失效模型的應用
課程名稱
ABAQUS復合材料分析直播培訓--Abaqus內嵌二維Hashin漸進失效模型的應用
課程簡介
1、Abaqus內嵌二維Hashin漸進失效模型的應用
2、hashin失效模型材料參數設置
第四場
cohesive單元及surface-based chesive的應用
課程名稱
cohesive單元及surface-based chesive的應用
課程簡介
1、內聚力本構介紹
2、cohesive element用法
3、surface-based chesive用法
技術鄰直播
ICEM網格劃分基礎應用及拓展
課程名稱
ICEM網格劃分基礎應用及拓展
課程簡介
1、ICEM
展開 金屬韌性損傷材料失效模型應用實例-Abaqus/Explicit鋼制管狀結構多工況沖擊損傷失效分析 ￥49.9
在常溫狀態下，大多數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。材料承載經歷彈塑性階段后達到損傷起始點a，繼續承載，損傷后的材料剛度折減，出現軟化，直到損傷參數D=1時，材料剛度退化為0，單元刪除。
韌性材料損傷漸進失效模型
工程案例：
鋼制管狀結構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：
沖擊質量5kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度200m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度300m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度400m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度500m/s，桶厚5mm;
沖擊質量25kg，速度500m/s，桶厚20mm;
沖擊質量25kg，速度400m/s，桶厚50mm;
沖擊質量25kg，速度500m/s，桶厚50mm;
付費部分為鋼制管狀結構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 國際系列會議AIAA Scitech 2019--PD報告
本文討論了針對NASA ACC項目第二階段所選擇的三種漸進損傷分析方法之一：近場動力學（通過EMU實現）。本文通過盲測以及針對蒙皮桁條板彈道沖擊試驗的試驗-分析相關性結果，提供了對近場動力學理論的簡要討論，包括基體非線性效應、應變率依賴性的影響。
圖：NDI（Non-Destructive Inspection）無損檢測結果與預測損傷（EMU）之間的相關性
PD報告摘要二：
https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2019-1039
基于近場動力學與精化鋸齒理論的復合材料漸進失效分析
本文對復合材料漸進失效分析進行了研究，通過采用近場動力學微分算子（PDDO）來求解精化鋸齒理論（RZT）中的平衡方程，避免了使用剛度退化系數。在RZT的平衡方程推導過程中，材料特性矩陣被認為是空間變化的，不同于一般假設中的均勻變化。這些方程的近場動力學形式能通過移除近場動力學相互作用（鍵）來表達變形中的漸進失效。同樣地，通過移除PD鍵，剛度退化是自然產生的。數值結果先通過與解析解對比驗證了該方法的正確性，然后通過考慮帶貫穿厚度裂紋的對稱疊合層合板進行了驗證。
圖：在具有預置裂縫[0/90/0]層合板中的損傷傳播
PD報告摘要三：
https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2019-1036
聚合物基復合材料鉆孔過程近場動力學模擬
本文研究了聚合物基層合復合材料中鉆孔過程的近場動力學模擬。先是通過考慮簡單靜力與沖擊荷載條件驗證了模型，接著進行了瞬態分析來模擬鉆孔過程中剛性鉆頭的運動以及包括分層與材料剝落的損傷模式。這一方法可拓展到考慮不同的鉆頭類型、各種鉆孔參數、一般性鋪層、纖維增強復合材料的材料特性。
展開 復合材料纖維方向斷裂韌性的測量方法
熟悉Abaqus內嵌的二維hashin漸進失效模型的同學都知道，在判斷損傷起始以后，需要依據材料的斷裂韌性對剛度進行退化，如下圖所示。
上述表格中的數據即為材料不同方向拉壓開裂時的斷裂韌性，在Hashin漸進失效模型中，四個斷裂韌性的數值分別用于求解四個失效位移值，如下圖所示。
以纖維方向拉斷為例，Gft為纖維方向拉斷對應的斷裂韌性，XT為單向板0°方向的拉伸強度，根據這兩項就可以推出其失效位移為：
一般的，對于基體的斷裂韌性我們可以通過雙懸臂梁實驗（DCB實驗，參見標準ASTM5528）來測得I型斷裂韌性。或者通過ENF試驗來測得II型斷裂韌性。
DCB實驗示意圖
ENF實驗示意圖
目前在文獻或者試驗標準中看到的都是針對基體或者界面的測試方法，很少有人去測試垂直纖維方向斷裂時的斷裂韌性。
本文將簡單介紹一下沿纖維方向斷裂時的斷裂韌性測試方法，文獻中能夠查找到的大多都是基于CT和CC試樣，下圖所示是拉伸斷裂時的斷裂韌性測試方法及建議的試件尺寸，其參考的試驗標準是ASTM E399。
CT試樣示意圖
類似的，當測試壓縮斷裂韌性時，采用CC試樣，其參考試驗標準是ASTM E1820，如下圖所示。
CC試樣示意圖
纖維方向開裂時的斷裂韌性一般要遠大于基體開裂時的斷裂韌性，例如，文獻中的纖維拉伸斷裂韌性大約在50-150N/mm之間，而基體斷裂韌性大約在0.2-1.5N/mm之間，相差可以達百倍。
上述實驗在實際操作過程中是很容易失敗的，因為基體強度很低，即使按照試驗標準建議的尺寸加工試件，在測試時，有可能會出現裂紋90°拐折，導致測不出纖維拉斷或壓斷時的斷裂韌性，因此對試件的加工要求很高，感興趣的可以嘗試一下，國內測試這類數據的還是很少的。
展開 【APDL Showcase】復合材料加筋板荷載作用下脫粘分析
通過接觸單元的粘結接觸模型（cohesive zone model——CZM）來模擬界面之間的粘結、漸進失效行為。
重點展示以下特點和功能：
1、使用實體殼單元建模（SOLSH190）
2、用粘結接觸模型（CZM）模擬界面行為
3、巧妙利用約束方程（CP）來模擬周期對稱邊界（periodic symmetry）
研讀分享不易，如果覺得本文有價值，請不吝點贊、關注！
【簡介】
加筋復合材料板由于其優異的耐久性和強度質量比，是飛機機身結構的理想選擇。ANSYS為分層復合材料結構建模提供了多種單元類型。在本例中，選擇了8節點的固體殼單元SOLSH190，因為它對層狀結構具有普遍適用性，并且極大地簡化了建模過程。
在這個例子中使用的SOLSH190單元的獨特特性大大簡化了薄零件之間的接觸建模。例如，當使用SOLSH190代替殼體時，不必擔心截面偏置、接觸面方向或大撓度時厚度的變化。
加筋板在承受工作荷載時，可能會經歷各種局部和整體破壞模式。這個例子主要集中在面板的整體屈曲和不同結構部件之間的粘結材料的漸進失效。為了模擬這種高度非線性和不穩定的現象，采用了非線性穩定方法和粘結接觸模型。
【案例介紹】
加筋板由三部分組成：蒙皮、桁條腹板和桁條翼緣。加強筋(桁條腹板和翼緣)按固定間隔重復施工，如下圖所示。這三種構件都由層狀復合材料制成。隨著面內壓縮載荷逐漸施加，導致面板屈曲，蒙皮和翼緣之間的產生剝離。
如下圖所示： 在本例中，在結構中部設定一個人為的初始缺陷區域（即只有標準接觸、無膠粘行為），并允許隨著負載的增加而擴展（其余位置設置粘結接觸CZM）。
板的一端被完全約束，如下圖所示。另一端假定為剛性，只允許縱向X方向上的均勻位移。
展開 【12月7日-9日 西安】Abaqus復合材料分析技術培訓班-三天
基礎班第二天主要講解復合材料失效理論、面內漸進損傷分析、層間/界面漸進損傷分析、三維VUMAT子程序開發等內容；通過提高班課程的學習，學員能夠掌握Abaqus初始損傷分析、漸進損傷分析、基于Cohesive內聚力模型的層間/界面漸進損傷分析、基于VCCT虛擬裂紋閉合技術的層間/界面裂紋擴展分析以及VUMAT子程序開發與應用等。
高級班安排在第三天，主要講解多種復合材料子程序的開發、Puck失效理論子程序實現、材料非線性表征、率相關特定表征、子程序調試等方面的內容。通過該課程學習，能夠掌握復合材料UVARM子程序、USDFLD子程序、VUSDFLD子程序、UMAT子程序、VUMAT子程序的開發，能夠基于VUMAT子程序進一步針對Puck失效理論、材料非線性、率相關性進行深入開發。該課程幾乎全部涉及程序開發，適合已掌握Abaqus基礎復合材料建模，在失效理論、程序開發、論文發表方面有更深入需求的研究生和科研人員。
學員可根據自身的條件和需求選擇適合自己的課程進行學習。
【基礎班課程大綱】：
【高級班課程大綱】：
【培訓講義】：
該培訓采用獨家內部講義，該講義分為20個部分，共計256頁，每一部分形成獨立章節，從基本建模操作、理論講解、公式推導到程序編寫全面覆蓋。
展開 
ABAQUS各向異性彈塑性PUCK損傷VUMAT ￥5999
其核心功能包含三部分：首先基于正交各向異性彈性本構更新應力，通過材料屬性計算剛度矩陣并響應應變增量；其次實現彈塑性修正，采用J2流動理論判斷屈服狀態，通過牛頓迭代求解塑性變形并更新應力；最后建立漸進損傷模型，分別針對纖維方向（拉伸/壓縮失效）和基體方向（通過180°平面搜索臨界斷裂面）定義損傷初始判據，結合斷裂能與特征長度控制損傷演化過程。該模型通過21個狀態變量跟蹤材料歷史響應，包括塑性應變、損傷變量及主應變等。
該子程序專用于預測纖維增強復合材料（如碳纖維、玻璃纖維層合板）的漸進失效行為，適用于航空航天結構（機翼蒙皮、整流罩）、新能源汽車電池包防護結構、風電葉片等領域的強度分析與失效預測。其優勢在于精確模擬從初始彈性響應、塑性變形到最終斷裂的全過程，尤其擅長處理沖擊載荷、復雜應力狀態下的損傷演化問題。
展開 復合材料有限元分析中如何計算損傷包絡面積？（附工具） ￥500
材料本構選擇的是Abaqus自帶的二維Hashin漸進失效模型。
第二步：提交計算，并打開計算結果odb文件，比如想查看基體拉伸損傷DAMAGEMT總包絡面積。下圖顯示的是4個鋪層各自的損傷面積，要根據每一層的損傷情況計算最大包絡面積。
第1層
第2層
第3層
第4層
全部4層，半透明顯示
第三步：打開plug_ins菜單中的“損傷包絡面積計算工具”。如下圖所示。具體參數說明如下：
Model：即選擇要查看的結果所對應的模型
Part：在模型中選擇要查看損傷面積的零件
ODB：選擇要查看的結果文件
Step：指定要查看結果所在的分析步，如果只有一個分析步，默認會自動選擇
Frame：指想要查看的結果所在的幀數，比如一共輸出了100次場輸出，想查看第90幀結果對應的損傷面積，就在框中輸入89，默認-1表示查看第一幀結果，0表示查看第一幀結果，i-1表示查看第i幀結果。
Variable Name：就是自己想要查看的變量名稱，比如Abaqus自帶的二維hashin漸進失效模型中，DAMAGEFT代表纖維拉伸損傷，DAMAGEMT代表基體拉伸損傷等等，變量名別輸錯哦。
第四步：執行程序
點擊“Calculate”按鈕，開始執行，右下方會有進度條顯示處理進度。
第五步：結果查看
程序執行完畢后，會在CAE界面下方打印出總的包絡面積，如下：
同時，在CAE模型中會新增一個名為surface的平面零件，該平面即為所有鋪層損傷面積的包絡尺寸，如下圖所示。
展開 復合材料失效理論知多少？（一）
7 Chang-Chang失效準則
前面的準則中都是沒有考慮材料的非線性的，層壓板在G12和G13兩個剪切方向是存在嚴重的剪切非線性的，考慮材料的剪切非線性行為，Chang等把Tsai-Hahn的剪切非線性模型(一種表征層壓板剪切非線性本構的力學模型),引入到失效準則中，提出了Chang-Chang失效準則；Chang-Chang失效判據被廣泛應用于復合材料碰撞沖擊等問題，目前三維Chang-Chang失效判據被集成于商業有限元軟件LS_DYNA及MSC.Dytran中。
【拓展】如何在Abaqus中自定義失效判據呢？
Abaqus中集成了數個二維失效判據，能用來做漸進失效分析的只有Hashin漸進失效模型（Hashin失效準則+基于能量演化的退化準則）。
如果想引入一些新的失效判據，可以在Abaqus中采用UVARM子程序添加，短短幾十行代碼就可以添加一種新的判據進行初始強度預估。但是這種僅能做損傷起始判斷，無法做損傷演化，且僅能用于Abaqus/Stadard求解器。
如果想引入新的判據并實現漸進損傷，則可以通過USDFLD、VUSDFLD、UMAT、VUMAT子程序實現。
有關Abaqus復合材料UVARM子程序開發的教學視頻可以移步到以下鏈接：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10131
有關Abaqus復合材料VUMAT子程序開發的教學視頻可以點擊以下鏈接：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10610
其他子程序開發內容將陸續在技術鄰發布，敬請關注。
原創文章，轉載請聯系作者。
展開 abaqus復合材料與cohesive完整版教學視頻發布
章節1.abaqus內嵌的hashin漸進失效模型使用方法
章節2.自帶的多種復合材料層壓板失效判據，如Tsai-Wu 、Tsai-Hill、Azzi-Tsai-Hill、Maximum strain以及Maximum stress等。
章節3.教你分分鐘建立復合材料有限元模型
章節4.教你分分鐘建立復合材料沖擊損傷有限元模型（視頻中的錯誤信息已在程序源代碼中更正，可自行下載）
章節5.復合材料圓筒件建模詳解，講述了殼單元/連續殼單元圓筒件的建模方法。
章節6.Abaqus中三維復合材料結構仿真分析案例
abaqus cohesive系列主要介紹Abaqus軟件中cohesive 單元及surface-based cohesive的建模方法以及注意事項，共7個視頻。
章節1:abaqus 二維cohesive單元建模詳解
章節2:abaqus三維cohesive單元建模詳解
章節3:abaqus surface-based cohesive應用案例
章節4:二維surface-based cohesive注意事項
章節5:幾種創建零厚度cohesive單元的方式
章節6:如何在Abaqus/explicit中使用surface-based cohesive
章節7:cohesive本構參數詳解
另外，歡迎關注“復合材料力學”微信公眾平臺，內有大量復合材料學習資料，中文搜索“復合材料力學”即可。
展開 