abaqus陶瓷沖擊的案例
陶瓷板熱沖擊相場斷裂ABAQUS模擬
模型尺寸為50 mm × 9.8 mm，初始溫度設置為680 K, 環境溫度設置為 300K；
材料參數如表所示
最終裂紋形態如圖所示：
新納米涂層可使工業陶瓷免受熱沖擊
由于能承受極端環境，陶瓷材料被用于核、化學和發電行業。不過，在高溫下，陶瓷容易因快速溫度改變事件（比如冷水滴同熱表面接觸）引發的熱沖擊而斷裂。在一種新穎的跨學科方法中，美國新墨西哥大學的工程師在美國物理聯合會（AIP）出版集團下屬《美國物理聯合會進展》雜志上報告了一種預防陶瓷熱沖擊的廉價、簡單疏水涂料。
“我們利用了完全相同的材料，但控制了熱傳遞，使陶瓷經歷更加溫和的溫度梯度、減輕拉伸應力，由此極大改善熱沖擊行為?！闭撐淖髡咧籝ouho Lee介紹說。
熱沖擊是未意識到玻璃對急劇溫度變化非常敏感的新手廚師在廚房中通常經歷的一種現象。如果剛從烤箱熱度中恢復的玻璃沙鍋受到冷水沖擊，表面溫度的突然降低會在材料內部產生不均衡的溫度梯度，引發拉伸應力以及最終的破裂。相同的熱沖擊敏感性也會影響工業陶瓷的壽命。
從跨學科的學術背景出發，Lee決定探尋熱傳遞對陶瓷熱沖擊的影響。他通過拍攝水滴對加熱陶瓷表面影響的高速視頻分析了熱傳遞。“當熱傳遞快速進行時，碰撞瞬間會產生猛烈的氣泡和表面上的噴射流。”
研究發現，這些更加快速的熱傳遞模式同材料強度的減少相對應。當陶瓷被加熱至325℃時，出現了更加劇烈的液滴動力學過程（表明更加快速的熱傳遞），材料強度也相應地大幅下降。不過，在高于325℃時，材料強度似乎較少受到熱沖擊影響，同時液滴動力學發生改變，形成更加明顯的蒸汽膜。
為減少熱傳遞以及陶瓷在高達325℃時經歷的熱沖擊，Lee利用了一些核工程學的基本知識，也就是說，二相熱傳遞速率可通過將水從表面驅趕走以形成絕緣蒸汽膜而被降低。為此，他在陶瓷表面涂上納米粒子，產生納米結構的疏水面。當試驗在擁有新涂層的陶瓷材料上重復時，水滴動力學得到極大改變，也沒有猛烈的泡沫噴出。而蒸汽膜的形成被觀察到。關鍵在于擁有新涂層的陶瓷在水滴撞擊后并未出現強度上的改變。
展開 剛性小球高速沖擊陶瓷高腳杯仿真
1問題的提出
眾所周知，沖擊速度影響被沖擊物體破壞的程度。但其實被沖擊物體的表面造型也影響著沖擊的破壞程度。為探究物體表面造型對沖擊破壞程度的影響，本文選擇具有對稱結構的高腳杯進行仿真分析，高腳杯的內外杯壁厚度及造型均不相同，當物體以一定速度沖擊杯壁時，杯壁本身可以形成對比分析。本文采用ANSYS LSDYNA進行了剛性小球高速、低速沖擊陶瓷高腳杯仿真，對比探討了沖擊速度對破壞程度的影響。
2有限元分析
（1）NX 10.0進行高腳杯的幾何建模
由于高腳杯的曲面造型較為復雜，同時杯底與杯口設有倒角，因此幾何模型用專業建模軟件建立，本文采用NX 10.0建立的高腳杯幾何模型，其幾何設定的幾何參數來自市場常用的高腳杯數據如圖2-1所示，高腳杯渲染圖如圖2-2所示。
圖2-1高腳杯建模圖
圖2-2高腳杯渲染圖
（2）WB進行剛性球及沖擊距離的設定
高腳杯的幾何模型在NX 10.0建立完成后，將模型導出成文本文件保存后在WB中打開，用DM進行剛性球的建立與沖擊距離的設定，這里分開建模的好處是便于沖擊距離的設定與后期小球直徑與沖擊距離的修改調整，不必來回切換建模軟件。剛性球的半徑設為9mm，沖擊距離設為0.1m。整個沖擊系統建模如圖2-3所示。
圖2-3沖擊系統模型
（3）ANSYS APDL進行部分前處理
在WB中完成沖擊系統的建模后，同樣將文件保存為文本格式導入到ANSYS APDL中進行前處理。選擇ANSYS LSDYNA仿真環境，首先設定單元為顯示3D Solid164單元，再設定小球為剛體材料，高腳杯任意選擇一種彈性材料（高腳杯是陶瓷材料，用UE編輯器直接修改關鍵字為*MAT_110）后進行網格劃分設定，適當試錯調試網格大小后的網格劃分如圖2-4所示。
展開 使用brittle cracking模擬沖擊下的陶瓷開裂
1 失效應變或位移越大，小球沖擊后單元失效越多 2 剪切保留因子越小，小球沖擊后單元失效越多 3 斷裂應力或斷裂能越小，小球沖擊后失效單元越多
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Abaqus中陶瓷本構模型及其數值計算應用
圖1 3種JH陶瓷本構模型
（圖片引自Numerical simulation of ballistic impacts on ceramic material. A.P.T.M.J. Lamberts. Eindhoven University of Technology, 2007）
雖然Johnson、Holmquist等人對陶瓷的本構模型開展了大量的研究，將陶瓷材料的響應分為完整和失效兩種狀態，但實際加載時應力狀態較為復雜，通過JH本構模型反映其損傷失效過程仍較為粗糙?，F有的JH本構中，彈性未損傷段參數多為根據試驗數據得出，但陶瓷損傷失效段參數則多為根據試驗結果擬合得出。
2 數值計算軟件中本構模型
陶瓷由于其波速高、模量大，具有良好的抗侵徹性能，在各類型裝甲設計中被廣泛應用。而JH本構形式簡單，易于理解，已成為Abaqus、LS-DYNA和Autodyn等商用軟件的內嵌本構模型，可一定程度上滿足日常使用及工程計算要求。
對于陶瓷材料Abaqus幫助中給出了3種本構模型，Extended Drucker-Prager本構（以下簡稱DP本構）、JH-2和JHB本構模型。DP本構多用來模擬巖土材料（粒狀土壤和巖石），擴展DP本構給出的應力與壓力的關系也與JH本構中未損傷時應力與壓力的關系類似，其損傷段定義采用等效塑性應變與應力三軸度的對應關系進行定義，狀態方程采用Mie-Grüneisen形式（詳見Abaqus相應部分幫助）。
Abaqus官方幫助中給出的JHB本構模型參數如表1所示。其中標紅部分與Abaqus幫助（2021版本）不同，應為幫助原文疏漏。
展開 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
算例丨Abaqus軟件中陶瓷本構模型及侵徹損傷失效數值計算應用實例
圖1 3種JH陶瓷本構模型
雖然Johnson、Holmquist等人對陶瓷的本構模型開展了大量的研究，將陶瓷材料的響應分為完整和失效兩種狀態，但實際加載時應力狀態較為復雜，通過JH本構模型反映其損傷失效過程仍較為粗糙?，F有的JH本構中，彈性未損傷段參數多為根據試驗數據得出，但陶瓷損傷失效段參數則多為根據試驗結果擬合得出。
1 數值計算軟件中本構模型
陶瓷由于其波速高、模量大，具有良好的抗侵徹性能，在各類型裝甲設計中被廣泛應用。而JH本構形式簡單，易于理解，已成為Abaqus、LS-DYNA和Autodyn等商用軟件的內嵌本構模型，可一定程度上滿足日常使用及工程計算要求。
對于陶瓷材料Abaqus幫助中給出了3種本構模型，Extended Drucker-Prager本構（以下簡稱DP本構）、JH-2和JHB本構模型。DP本構多用來模擬巖土材料（粒狀土壤和巖石），擴展DP本構給出的應力與壓力的關系也與JH本構中未損傷時應力與壓力的關系類似，其損傷段定義采用等效塑性應變與應力三軸度的對應關系進行定義，狀態方程采用Mie-Grüneisen形式（詳見Abaqus相應部分幫助）。
Abaqus官方幫助中給出的JHB本構模型參數如表1所示。其中標紅部分與Abaqus幫助（2021版本）不同，應為幫助原文疏漏。
表1 JHB本構模型參數
JHB本構模型的應力與壓力關系主要分為完整（Intact）和損傷（Failed）兩部分，表1中下標帶有 i 的即為完整部分相應參數，下標 f 即代表損傷部分參數；雖然JHB本構模型公式中考慮了脆性材料的相變特性，表1標藍部分參數應為對應的相變參數，但幫助中全部設置為0，推知官方幫助中給出的這組參數不能考慮陶瓷相變的影響。
Abaqus官方幫助中給出的JH-2本構模型參數如表2所示。
展開 新能源電池包、模組等結構基于ABAQUS的多次沖擊（連續沖擊）、多次跌落等多個顯式工況的累加計算 ￥9.99
本方法可用于顯式工況后動能的釋放、多個不同顯式工況的累加計算等（如沖擊完跌落，先X向沖擊再Y向沖擊等）
對于新能源電池包、模組等結構通常會有多次沖擊（連續沖擊）或多次跌落的要求，采用ABAQUS進行顯式動力學求解時，進行完一個顯示分析工況的求解后，結構往往有很大的動能，不能直接進行第二個顯式工況的加載，本文以某一簡化的模組為例說明在ABAQUS中解決連續沖擊的問題。
案例采用的模組12Kg，沖擊工況為25g/15ms，Y向沖擊兩次。
以下為計算的結果對比，首先是第一次正常沖擊的結果，第二個是消除第一次沖擊后動能及彈性變形的結果，此時保留了塑形變形與殘余應力，第三個是在第二個的基礎上進行的又一次正常沖擊，可以看出，連續兩次沖擊后，模組側板的塑性應變有增大。
觀察第一次沖擊和第二次沖擊的動能曲線，可以看出兩次沖擊的動能曲線基本重合。
以下付費內容包含模型文件，操作步驟說明文件等，感興趣的可以下載學習。
展開 調用ABAQUS內置JH2模型模擬沖擊損傷-ABAQUS例子
結果如下：
impactsiliconcarbide_jh2.txt
把附件的txt后綴直接改為inp文件即可運行
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ABAQUS中沖擊動力學問題的求解方法
接觸
接觸問題在工程中處處可見，復合材料的沖擊問題也存在沖擊頭與層合板之間的接觸。當兩個物體彼此接觸時，垂直于接觸面的力作用在兩個物體上。如果在接觸面之間存在摩擦，可能產生剪力以阻止物體的切向運動。接觸模擬的目的是確定表面上發生接觸的面積和計算所產生的接觸力。
在有限元分析中，接觸問題屬于非線性問題，但又區別于材料非線性和幾何非線性，屬于邊界條件非線性問題。接觸條件是特殊的不連續約束，允許力從模型的一部分傳遞到另一部分。只有兩個表面發生接觸時才會產生約束，當分開時，就不存在約束了。分析時，需要判斷什么時候表面發生接觸并采用響應的約束，什么時候表面分開并解除約束。
復合材料沖擊接觸分為靜態接觸和動態接觸。前者不考慮接觸過程隨時間的變化，忽略了慣性效應。實際上，復合材料沖擊響應一般由瞬態動力響應或者應力波控制的。本文在計算過程中，采用動態接觸。
3.1 ABAQUS接觸功能描述
ABAQUS/Explicit提供了兩種模擬接觸相互作用的算法[29]。
展開 ABAQUS沖擊失效
使用子程序為 unifiber的vumat定義單元刪除
問題如下:
失效單元刪除后，位移載荷曲線有明顯的驟降，初步考慮是單元刪除引起的，有什么辦法解決嗎？真實數據沒有這部分驟降
圖示為三個選中單元的位置和輸出mises應力值
基于ABAQUS單點顯式VDLOAD/隱式DLOAD激光沖擊加載(圓形光斑和方形光斑) ￥50
激光沖擊強化是一種相對而言較新的機械表面處理方式。就目標而言它與機械噴丸強化類似：在材料的表面和近表面引入有益的殘余壓應力。激光沖擊強化使用高功率激光脈沖將表面電離成高壓等離子體，在一個透明的慣性約束介質中（通常是水）進行操作?？梢允褂靡环N類似黑色鋁箔膠帶的犧牲性涂層作為熱保護覆蓋層來保護靶材表面的完整性。與機械噴丸相比，使用激光沖擊的制造優勢是可控的準確性和精度，有害表面改性的減少和疲勞壽命的提高。隨著有限元技術的逐漸發展，激光沖擊殘余應力的演變得以可視化研究。傳統的建模方式通過GUI方式切分出特定形狀和大小的光斑面，然后在此光斑面施加隨時間（幅值曲線）和空間（解析場）變化的載荷，效率低，不適合多光斑的研究。ABAQUS軟件可以通過顯式VDLOAD或隱式DLOAD子程序二次開發進行單點/多點激光沖擊模擬，效率高。不同之處在于隱式相對計算時間長但是可以在第一步沖擊后直接在第二步進行回彈分析，無需進行數據傳遞來計算回彈過程。
本帖基于ABAQUS的VDLOAD/DLOAD子程序對比顯式/隱式算法下不同光斑形狀的應力和塑性應變。首先進行模型構建。
材料采用Ti-6Al-4V鈦合金，有限單元區賦予彈塑性參數，無限單元賦予彈性參數。具體參數如下：
密度：4.5e-9；彈性：1.2e5,0.34；塑性：A:1098 B:1092 C:0.014 n:0.93 參考應變率：1
裝配：全局坐標原點與有限單元頂點重合。
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abaqus纖維復合材料落錘沖擊，
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展開 Abaqus/CEL管道水流沖擊水輪
施加入流速度邊界條件。
問渠那得清如許，為有源頭活水來。
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Abaqus纖維金屬層合板沖擊后壓縮試驗！（glare板）
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