金屬塑性本構的案例
Johnson-Cook金屬塑性本構
ABAQUS/Standard 用戶材料子程序實例
－Johnson-Cook 金屬本構模型盧劍鋒 莊茁* 張帆
清華大學工程力學系 北京 100084
摘要：用戶材料子程序是 ABAQUS 提供給用戶定義自己的材料屬性的 Fortran 程序接口，使用戶能使用 ABAQUS 材料庫中沒有定義的材料模型。
ABAQUS
中自有的
Johnson-Cook
模型只能應用于顯式
ABAQUS/Explicit
程序中，而我們
希望能在隱式
ABAQUS/Standard
程序中更精確的實現本構積分，而且應用
Johnson-Cook
模型
在 UMAT
編程中使用了率相關塑性理論以及完全隱式的應力更新算法。
1 Johnson-Cook 強化模型簡介
Johnson-Cook（JC）模型用來模擬高應變率下的金屬材料。JC 強化模型表示為三項的乘積， 分別反映了應變硬化，應變率硬化和溫度軟化。這里使用 JC 模型的修正形式：
? ? ? A ? B? n ??? ? ?& ?? ?1 ? T *m ?
?1 C ln ?1
?& ??
???0 ???
并使參考應變率?&0 ? 1 ，這樣公式中的 A 即為材料的靜態屈服應力。
展開 金屬材料塑性本構模型（結合workbench）
工程中的金屬結構一般都處于彈性工作狀態，所以工程金屬結構分析大多數都使用線彈性材料本構模型。不過，塑性本構也是應該掌握的。
workbench中常見的四種塑性本構模型
涉及三個方面：
01 雙線性/多線性（bilinear / multilinear）
02 強化（hardening）
03 等向和隨動（isotropic / kinematic）
如圖所示：
01 雙線性和多線性的區別是一目了然的，即應力應變曲線是兩條折線或兩條以上折線（三條及以上）。
02 強化是指材料在屈服后，應力隨應變還會增加，與此相對應的是理想彈塑性，材料屈服后，應力不隨應變增加。
03 拉伸屈服點對壓縮屈服點存在影響（初始屈服影響后繼屈服）。等向模型中壓縮屈服點等于上一次最大拉應力；隨動模型中壓縮屈服點等于兩倍屈服應力減去上一次最大拉應力。由此可知，隨動和等向模型定義的是材料屈服條件的變化，在材料加載后卸載再加載的情況下（多次屈服）才發揮作用。對于單調加載（不存在卸載過程），實際起作用的定義只是雙線性強化或者多線性強化。
另外，材料的屈服條件（屈服面）也有不同的描述模型。比如Tresca屈服準則，Mises屈服準則，D-P屈服準則等。例如，對于二維應力狀態，Mises屈服準則在主應力空間中是橢圓形；對于三維應力狀態，Mises屈服準則在主應力空間中是圓柱形。
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Johnson-Cook塑性本構的VUMAT ￥15
0 內容介紹
總結了本人對于Johnson-Cook塑性本構的認識，本帖提供了適用于ABAQUS的JC_VUMAT（代碼內有詳細介紹）。
1 Johnson-Cook塑性本構簡介
在固體力學范疇內，材料的本構關系是專指力與固體材料在力作用下產生變形之間的關系，即材料的流動應力與應變、應變率和溫度等變形參數之間的數學函數關系。Johnson-Cook本構模型形式簡單、精度高、實用性強，被用來描述材料在不同溫度及不同應變率下的力學行為，并在商業有限元軟件中得到了廣泛的應用，其公式：
2 VUMAT有限元基礎
見附件1
ABAQUS有限元基礎.docx
展開 
晶體塑性耦合連續損傷本構框架
經典文章推薦
《Necking behavior of AA 6022-T4 based on the crystal
plasticity and damage models
是最經典的耦合晶體塑性理論和連續損傷的文章之一，損傷力學有兩種主要方法。第一種是Gurson提出的基于微觀力學的損傷模型。在基于微觀力學的方法中，損傷演化通過孔隙成核、生長和聚結來描述。對空穴成核和生長進行了建模，必須使用實驗數據確定相關系數。另一種方法是連續損傷力學（CDM）。在CDM框架中，使用應力、壓力、溫度和應力三軸性確定斷裂應變。在這些研究之后，提出了許多改進的模型，以包括洛德角和各向異性損傷的影響，
作者在研究中使用的損傷模型基于連續損傷力學（CDM）。然而，通過結合CPFEM可以預測孔隙的萌生、生長和聚結行為。此外，材料因損傷而弱化用于描述頸縮后承載能力的突然下降，通過顯式時間積分方案進行了分析，這為通過CPFEM預測頸縮行為提供了可能性。然而，沒有預測頸縮形狀和載荷位移曲線。為了準確預測頸縮和載荷位移曲線，使用隱式時間積分方案進行了分析，可以獲得更合理的載荷位移曲線。此外，還進行了實驗，并與分析結果進行了比較。最后，新提出了四種不同的帶系數校準的損傷模型，并提出了一種最能描述頸縮行為的模型。
作者使用的四類連續損傷模型理論如下
（1）最大塑性應變損傷模型：該模型將損傷定義為當主塑性應變大于某一臨界值時開始和累積的損傷。此模型寫為：
ε1f.ini是損傷萌生塑性應變值，ε1f.ini是最大塑性應變值，D是損傷因子，M是損傷指數（通常取值大于1.0有利于流動應力平滑過渡）
（2）等效塑性應變損傷模型：該模型將損傷定義為當等效塑性應變大于某一臨界值時開始和累積的損傷。
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<p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(15, 17, 21);">本資源包含一份 PDF 文檔和可直接編譯運行的 Fortran UMAT 代碼，具體內容為：</span></p><p class="ql-align-justify">理想彈塑性本構 + 隱式積分 + 徑向返回</p><p class="ql-align-justify">完整公式推導 + Fortran 源碼直接編譯</p><p class="ql-align-justify">von Mises 屈服+ 一致切線模量全實現</p><p class="ql-align-justify">PDF 包含規范化的本構方程、隱式積分、徑向返回與一致切線模量推導，可供初學者學習。配套 UMAT 代碼可直接在 ABAQUS 編譯運行，采用全隱式積分搭配一致切線模量，收斂速度極快、計算精度極高，<span style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0);">適合初學者快速入門。</span></p><p class="ql-align-justify"><span style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0);">下圖展示了</span><span style="color: rgb(25, 27, 31);">部分</span><span style="background-color: rgba(0, 0, 0, 0);">PDF內容，及umat計算結果與abaqus內置模型對比，可以發現umat收斂速度極快，與abaqus內置模型幾乎一致。
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<p class="ql-align-justify"><strong>內容：</strong></p><p class="ql-align-justify">基于參考文獻通過ABAQUS建立了冰材料彈塑性本構模型；對比已有試驗，對比裂紋演化現象和沖擊載荷曲線，驗證了冰材料本構模型的有效性。</p><p class="ql-align-justify"><img src="https://img.jishulink.com/202507/attachment/7b0d26ab81f645dc98e8b15335447247.png" width="1027"></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/7cbe0c886d1d4de59fdee40d233200d8.png" style="" width="616" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202510/attachment/7cbe0c886d1d4de59fdee40d233200d8.png?
展開 并不簡單的彈塑性本構子程序
在寫彈塑性本構之前，我對塑性流動是干嘛使的沒有直觀概念。寫的時候我才明白，由于只能先算出來等效塑性應變，沒有流動方向的話，就無法把它轉換到各個應變分量，不知道應變分量就無法計算應力。這玩意從數學上講，是一個轉換公式。
我們目前重工業上大部分的結構材料還是金屬，盡管ABAQUS中有自帶的JC模型，但是如果要模擬更復雜的情況，學會寫彈塑性本構就十分必要。
本期就給一個彈塑性VUMAT拉伸失效的案例，結合單元刪除技術，模擬結構破壞過程。
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。
子程序結構
子程序的基本結構如下：
1.初始化準備工作
程序首先進行初始化準備工作，讀入材料的彈性參數、強度參數、硬化參數以及應變率相關參數，然后構建彈性剛度矩陣，為后續計算奠定基礎。
2.進入材料點循環
接下來進入材料點循環，對每個積分點逐一進行計算。對于每個材料點，程序首先讀取上一步的狀態變量，包括累積的等效塑性應變、應力狀態以及背應力等內部變量。
3.失效判斷
程序隨后進行失效判斷，檢查材料是否滿足失效準則。判斷依據包括兩個方面：一是等效塑性應變是否超過極限應變閾值，二是等效應力是否達到破壞強度。一旦滿足任一失效條件，程序將材料標記為失效狀態，并大幅降低其剛度以模擬材料的承載能力喪失。
4.本構響應計算階段
在本構響應計算階段，程序考慮了應變率效應和材料硬化特性，更新當前的屈服應力。同時計算應力偏量，得到米塞斯等效應力和塑性流動方向，這些是判斷材料是否屈服的關鍵參數。
5.彈塑性判別
然后進行彈塑性判別。
展開 應變率、本構模型、金屬變形行為。
想問一下，我用準靜態和高應變率數據擬合出的本構模型可以用來預測中應變下的變形行為嗎
各向同性硬化von Mises率無關彈塑性本構理論以及umat源代碼 ￥99
各向同性硬化von Mises率無關彈塑性本構理論以及umat源代碼
1 本構理論
1.1 率形式
對于各向同性線彈性材料，其本構方程為：
式中假設了應變張量可以分解為彈性應變和塑性應變兩部分：
因此塑性本構的關鍵在于計算塑性應變的演化。對于率無關彈塑性的本構理論，需要確定以下三個部分：
(1)：屈服條件
(2)：流動法則
(3)：硬化法則
在此采用的是 von Mises 屈服條件：
式中后繼屈服應力是等效塑性應變的函數：
流動法則為：
式中流動方向的表達式為：
硬化法則為：
1.2 Return-mapping算法
上述的本構方程均為率形式。在增量步中，給定增量應變：
首先假設該增量應變全為彈性應變，計算試驗狀態下的一些物理量：
試驗狀態下的應力
試驗狀態下的屈服函數值：
利用該試驗屈服函數值來判斷在該增量步下是否發生了塑性屈服。如果：
則說明試驗狀態即為真實狀態，即可進行更新：
反之則需要進行塑性更正，即需要計算塑性乘子的增量，利用以下非線性方程組進行計算：
可以將該非線性方程組簡化至一個非線性方程，過程如下，將該方程組中的第一式分解為球量和偏量兩部分：
因此可以計算應力為：
將上式中的第二式整理得到：
可以得到兩個張量的方向相同：
因此偏應力可以用試驗狀態的信息表示出來：
代入到最后一個一致性方程中可得：
即可利用牛頓迭代法對上述非線性方程進行求解，得到塑性乘子增量。
展開 材料本構彈塑性力學知識二
彈塑性材料：固體材料在受力后產生變形，從變形開始到破壞一般要經歷彈性變形和塑性變形這兩個階段。根據材料力學性質的不同，有的彈性階段較明顯，而塑性階段很不明顯，像鑄鐵等脆性材料，往往經歷彈性階段后就破壞。有的則彈性階段很不明顯，從開始變形就伴隨著塑性變形，彈塑性變形總是耦連產生，像混凝土材料就是這洋。而大部分固體材料都呈現出明顯的彈性變形階段和塑性變形階段。今后我們主要是討論這種有彈性與塑性變形階段的固體材料，并統稱為彈塑性材料。
鮑辛格效應：由于預加塑性拉伸荷載而使壓縮屈服應力降低的現象稱為Bauschinger效應。正是由于這種效應，塑性變形時一種各向異性的過程，Bauschinger效應是一種由塑性應變引起的特殊的方向各向異性的形式，因為在后繼逆向荷載作用下，一個方向的初始塑性變形會減小其反方向的屈服一個應力。在多軸應力情況下，與這種現象對應的是具有不同方向屈服應力之間的相互影響和橫向效應，某一方向的預加應變達到塑性范圍將會改變其所有方向的屈服應力值。因此Bauschinger效應對于多維問題更重要，包括荷載方向有明顯改變的復雜應力歷史，比如應力改變符號和循環荷載的情況。
彈性變形與塑性變形的區別：卸除載荷后。變形可以完全恢復，是彈性變形的基本特征，而變形的不可恢復性是塑性變形的基本特征。彈性與塑性的基本區別不在于它們的應力一應變關系是否線性。
例如，在比例極限與彈性極限之間的AB曲線段，應力與應變不再成比例，進入了非線性階段，但在B點以前卸除載荷，變形仍將完成恢復，屬于彈性變形階段。因此，彈性和塑性的基本區別在于卸載后，是否保留一個永久變形(塑性應變〕。
在彈性變形階段，應力與應變之間呈一一對應的關系。
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金屬JC和陶瓷JH本構模型參數 ￥9.99
整理收集的一些銅，鋁、裝甲鋼、混凝土及陶瓷材料的本構參數
非局部晶體塑性本構模型實現與案例演示
在FCC晶體中，有12種滑移系統可能在塑性變形過程中被激活
通常，樣品的晶體學和應力狀態是決定滑移系統是否活躍的主要因素。試驗過程中試樣所經歷的塑性來自于激活滑移系統的貢獻。臨界分辨剪切應力是確定晶體滑移開始的標準，而FCC金屬材料塑性變形主要由位錯滑移貢獻。以位錯為內變量的本構方程可以對多晶材料的塑性變形做出更加物理的描述和預測，并與微尺度的實驗進行對比分析。
Ma和Roters引入的基于位錯密度的本構模型（Ma和Roter，2004；Ma、Roters和Raabe，2006a，b）使用移動位錯ρmα，沿著滑移系統α滑動，以適應部分外部塑性變形，在基于位錯的模型中，Orowan方程通常代替唯象的冪律流動方程
其中ρm是統計儲存位錯密度，b是伯格斯矢量，v是可移動位錯密度平均速度，統計儲存位錯密度表示為初始統計位錯密度和變形過程中統計位錯密度增量之和，統計位錯密度演化表示為
其中dαβ是位錯增殖相互作用張量，kc和knc分別作為控制共面和非共面滑移系統相互作用系數大小的常數。量rαc是位錯湮滅的位錯捕獲半徑，并隨溫度和變形速率的變化（Kocks，1976），通常使用考慮統計位錯密度的本構模型，即從一個材料點的加載歷史可以充分描述本構行為。對于多晶體的應力-應變曲線和織構預測，溫度效應，局部位錯模型已被證明是強大和有效的。
然而，如果模擬規模變小，例如在專注于納米壓痕（Zaafarani et al.，20082006）和微柱壓縮（Raabe，Ma和Roters，2007a）的研究中，則局部模型可能由于無法描述尺寸效應而不足，較小晶粒尺寸的強化效應是由于晶界附近非均勻塑性變形的體積分數較高。
展開 材料本構彈塑性力學知識一
研究對象和方法
是研究結構的強度、剛度和穩定性問題(有時統稱為強度問題),以及結構的“破壞”準則或失效準則.在方法上是在一定的邊界條件(或再加上初始條件)下求解三類基本方程:平衡(運動)方程、幾何方程和本構〔物理)方程。以實驗結果為依據，所得結果由實驗來檢驗.
力學模型的相關知識
'模型'是'原型'的近似描述或表示。建立模型的原則。
一是科學性----能盡可能地近似表示原型；
二是實用性----能方便地應用。
顯然，一種科學(力學)模型的建立，要受到科學技術水平的制約。總的來說，力學模型大致有三個層次:材料構造模塑，材料力學性質模型，以及結構計算模型。第一類模型屬于基本的，它們屬于科學假設范疇。因此，往往以“假設”的形式出現。'模型'有時還與一種理論相對應;因而在有些情況下，'模型'、'假設'和'理論'可以是等義的。
材料構造模型:
連續性假設：假定固體材料是連續介質，即組成物體的質點之間不存在任何空隙，連續緊密地分布于物體所占的整個空間。由此，我們可以認為，一些物理量如應力，應變和位移等可以表示為坐標的連續函數，從而在作數學推導時可方便地運用連續和極限的概念，事實上，一切物體都是由微粒組成的，都不可能符合這個假設。但可以想象，當微粒尺寸及各微粒之間的距離遠比物體的幾何尺寸小時。運用這個假設不會引起顯著的誤差
均勻及各向同性假設： 假設物體由同一類型的均勻材料組成，即物體內各點與各方向上的物理性質相同(各向同性);物體各部分具有相同的物理性質.不會隨坐標的改變而變化(均勻性)。
材料力學性質模型：
均彈性材料： 彈性材料是對實際固體材料的一種抽象.它構成一個近似于真實材料的理想模型。
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