失效準則
關注創建者：時節 創建時間：2020-09-28
失效準則的視頻教程
基于abaqus_VUMAT建立三維Hashin失效準則的復合材料拉伸模型
課程主要內容 (1) VUMAT整體講解 (2) 三維Hashin子程序逐行講解，包括初始失效準則，剛度退化，單元刪除 (3) 單軸模型的建立與結果分析，根據結果改進子程序 (4) abaqus自帶的二維Hashin失效準則與模型的建立 (5) 三維Hashin的VUMAT與abaqus自帶的二維Hashin失效準則對比與分析 (6) 基于三維Hashin建立不同鋪層角度的層合板
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LS-DYNA復合材料本構模型精講——MAT54材料模型
1、 ls-dyna中的復合材料本構及其特點 2、 復合材料 的彈性常數和鋪層 3、 Mat54 材料的失效準則（ ? chang-chang失效準則；? 最大失效應變準則） 4、Mat54 卡片參數的物理意義 ? 強度準則參數，以拉伸為例測試XT 算例 ? 應變失效參數，以拉伸為例，測試DFAILT算例 ? 基體壓縮失效后，纖維拉伸和壓縮強度FBRT
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mat_add_erosion失效關鍵字在爆破模擬中的應用
本課程主要對LS-DYNA軟件中mat_add_erosion失效準則關鍵字進行詳細解析，重點講解了關鍵字每個選項卡的含義及參數賦值原則。第5節錄制較早，有部分問題沒闡述清楚，第2~4節是最新錄的，只看第2~4節即可。 另外，也講解了在爆破模擬中如何設置該關鍵字的失效閾值參數，并詳細解釋了為何采用此失效準則。
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失效準則的實例教程
Tsai-Wu 失效準則是一種唯象材料失效理論，廣泛應用于拉伸、壓縮強度不同的各向異性復合材料。當層合板的失效指數達到 1 時，Tsai-Wu 準則預測達到失效狀態。該失效準則是一般二次失效準則的特例，可以表示為以下形式：
其中，Fi和Fij均是通過實驗得到的強度參數，σi和σij采用的是二階張量的Voigt標記方式，如果假定破壞包絡面是封閉凸面，相互作用項Fij還需要滿足下列約束：
這也就意味著Fii項必須是正值。
對于具有三個對稱平面的正交各向異性材料，如果假設Fij=Fji，且假設正應力和剪應力之間、剪應力與剪應力之間沒有耦合的條件下，Tsai-Wu 失效準則的一般形式簡化為：
通常，正交各向異性材料在三個方向的單軸拉伸、壓縮強度表示為σ1t、σ1c、σ2t、σ2c、σ3t、σ3c，剪切強度表示為S23、S31、S12。那么正交各向異性 Tsai-Wu 失效準則的系數為：
上式中，F1、F2、F3、F44、F55、F66可以通過簡單地單軸拉伸實驗或剪切試驗得到，另外，在有的教科書中F1、F2、F3、F11、F22、F33表示為：
兩者差了一個負號，這取決于壓縮應力自身帶不帶負號，如果壓縮應力自帶負號（負數）則用后者，否則用前者。
理論上系數F12、F13、F23可以通過等雙軸試驗（兩個方向應力相同）來確定。如果等雙軸拉伸的破壞強度是：
則F12、F13、F23可以表示為：
但是實際上，等雙軸試驗測定很難，在過去的幾十年中，也有無數的嘗試去確定這個參數，部分復合材料力學教材里給出過當
時誤差最小的結論。近期，諾丁漢大學李曙光老師從自洽性角度出發對F12的合理取值給出了唯一地確定，也使得Tsai-Wu理論更加完備。
展開 3、關于關鍵字參數
這個參數有兩行參數，第一行：MID（MID - 待失效的材料編號），excl（排除數字，任意假設）；第二行：PFAIL（失效壓力），SIGPI（失效主應力），SIGVM（失效等效應力，一般指抗拉強度），EPSPI（失效主應變），EPSSH（失效剪應變），SIGTH（極限應力），IMPULSE（失效應力沖量），FAILTM（失效時間）。
其中excl為排除數字，這個數字可以任意定義，如果第二行某個參數和這個數據相同，那么該參數定義的失效準則就被忽略。（第二行可以定義很多準則）。不選用其它失效準則不能留空，必須要填排除數字。
關于 PFAIL 關鍵字的說明：此關鍵字表示物體的靜水壓破壞，即各個方向受到相同壓力時的破壞準則，其中壓為正，拉為負，一般材料尤其是混凝土材料都是拉伸破壞，故此參數一般定義為負數，對于大小比較的是代數值的大小，因此當低于此準則即拉應力超過允許數值，材料即宣告破壞（類似抗壓強度）。當實際的靜水壓力（其實應該是拉力）小 (大？) 于此值（代數大小），材料即宣告破壞。
除最后一個是關于時間的破壞準則外，其余的六個破壞準則都是正數，表示拉力，當計算的數值大于此值時材料失效刪除。
4、關于材料失效;
壓縮破壞在這個關鍵字中無法體現，要想施加壓縮破壞準則，必須要自己定義關鍵字參數，即進行二次開發。另外，需要說明的是，動態破壞的基本特性是時率相關性和損傷積累性，損傷這一塊，特別是微觀上真實的損傷，而不是宏觀上的唯象損傷，DYNA幾乎是空白，所以就需要自定義材料了。
另外，應力波的破壞形式有兩種，即拉伸破壞和剪切破壞，很少有材料是壓縮破壞的，因為還沒有達到壓縮破壞的閥值的時候可能由于泊松比導致的側向拉力已經達到了極限，所以混凝土材料真正的壓縮強度是多少沒有人知道。
展開 Hashin失效準則：
1.纖維拉伸失效模式：
2.纖維壓縮失效模式：
3.基體拉伸失效模式：
4.基體壓縮失效模式：
XT為1方向（纖維方向）拉伸強度，Xc為壓縮強度，Yt為2方向（基體方向）拉伸強度，Yc為壓縮強度，S12,S23,S13均為剪切強度，以上1~4任意一失效模式滿足，立即刪除單元。
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 軟件中要么可以在材料模型里添加失效準則，比如hjc111中的fs，大于0時用等效塑性應變控制，cscm 159模型里的erode，用最大主應變控制，我想提出的問題重點圍繞后者 很多論文里erode設置為1.05或者1.1，根據官方文件介紹最大主應變失效值為0.05或者0.10，我請問這個數值的依據在哪里，眾所周知主應變拉正壓負，最大主應變為0.05意味著受拉部分混凝土最大主應變0.05，最大的疑問就是混凝土能這么抗拉嗎？眾所周知單軸狀態下混凝土峰值拉應變也就是100到150個微應變，這個0.05遠超過這個值幾個量級了，為什么文獻里這么設置大家思考過沒有，文獻里都是一句話帶過，沒有任何有價值的解釋說明？ 當然本人嘗試過將這個值設置為150個微應變，但是這倒是有了新的問題，混凝土在不算大的沖擊能量下大面積失效，與試驗現象有又嚴重不符，破壞的太夸張了，所以矛盾點在這里，這個最大主應變的失效如何取值，有依據又比較合理，歡迎大家討論 個人認為這個失效準則特別關鍵，如果不設置混凝土抗拉失效或者設置的值過大，比如前文里的0.05或者0.10，后處理中混凝土單元的主拉應力特別大，甚至會達到幾十mpa ，嚴重不靠譜，而且對于同時建立鋼筋和混凝土的鋼筋混凝土結構而言，混凝土失效早晚直接影響鋼筋的應力響應，混凝土最大主應變過大，鋼筋應力隨著沖擊能量增加增長相對緩慢，若最大主應變設置的小，附近鋼筋應力也會迅速陡增，可以說失效準則對計算結果影響巨大，這個關鍵的問題歡迎大家討論與關注
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*復合材料損傷 MAT_054 (MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE)： 針對碳纖維層合板（CFRP），MAT_054利用Chang-Chang失效準則分別判斷基體與纖維的拉壓破壞。由于復合材料的極度脆性，單元失效極易引發應力波的虛假反射。
? 材料與失效，精準復刻現實：內置 300 + 材料本構與失效準則組合，覆蓋金屬、復合材料、泡沫、橡膠、混凝土、生物材料等全品類；集成 XFEM 擴展有限元、非局部損傷、復合材料分層追蹤等模型，精準模擬金屬撕裂、玻璃破碎、電池熱失控、裝甲侵徹等復雜失效行為，為結構安全評估提供數據級支撐。
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層合板低速沖擊仿真3個月前
仿真的約束
本構模型與失效處理
在VUMAT中，采用Hashin準則進行失效判斷，對失效的單元做剛度折減模擬失效。注意，這里沒有使用單元刪除。
接觸力結果
文獻接觸力結果如下：
圖來源：譚建設.復合材料層合板低速沖擊響應的試驗研究與仿真分析[D].上海交通大學,2014.
圖 4(a) 為單單元模型在不同 FS 下的應力-應變曲線，圖中不同的 FS 所對應的曲線重合，這是因為 在沒有剪應力參與的條件下，不同的 FS 所控制的纖維拉伸失效準則可以被簡化為最大應力準則。
圖 4(b) 為單單元模型在不同 E11T 下的應力-應變曲線。
為了正確預測材料性能，必須考慮應變率相關性和復雜的失效準則。大部分力是通過接觸傳遞的。這些由于材料非線性、幾何和網格以及載荷和邊界條件的瞬態特性之間的復雜相互作用，推導動態分析的解析靈敏度是非常困難的。因此，傳統的基于靈敏度的拓撲優化方法不適用于涉及結構碰撞問題。
針對以上問題，本文采用等效靜態載荷法將非線性動態分析域和線性靜態優化域相結合。
為了正確預測材料性能，必須考慮應變率相關性和復雜的失效準則。大部分力是通過接觸傳遞的。這些由于材料非線性、幾何和網格以及載荷和邊界條件的瞬態特性之間的復雜相互作用，推導動態分析的解析靈敏度是非常困難的。因此，傳統的基于靈敏度的拓撲優化方法不適用于涉及結構碰撞問題。
針對以上問題，本文采用等效靜態載荷法將非線性動態分析域和線性靜態優化域相結合。
科研建模與單件仿真
典型任務：層合板受力分析、固化模擬、有限元失效準則
關鍵指標
推薦配置
CPU
Intel Xeon W7-2495X / AMD Threadripper PRO 7975WX（≥24核）
為了正確預測材料性能，必須考慮應變率相關性和復雜的失效準則。大部分力是通過接觸傳遞的。這些由于材料非線性、幾何和網格以及載荷和邊界條件的瞬態特性之間的復雜相互作用，推導動態分析的解析靈敏度是非常困難的。因此，傳統的基于靈敏度的拓撲優化方法不適用于涉及結構碰撞問題。
針對以上問題，本文采用等效靜態載荷法將非線性動態分析域和線性靜態優化域相結合。
并不簡單的彈塑性本構子程序6個月前
本構模型
采用經典老演員JC模型描述本案例的彈塑性本構：
為了模擬結構破壞，采用如下準則判斷單元完全失效，滿足其一即可：
（1）材料Mises應力達到極限值；
（2）材料極限應變達到極限值。
