金屬損傷的案例
ductile metal 延性金屬的損傷模擬-ABAQUS例子
金屬損傷失效的模擬
1. 總體介紹
Abaqus/Standard and Abaqus/Explicit offer a general capability for predicting the onset of failure and a capability for modeling progressive damage and failure of ductile metals.
金屬材料的損傷演化需要具備下面三種條件：
1 the undamaged elastic-plastic response of the material
2 a damage initiation criterion
3 a damage evolution response, including a choice of element removal
Damage initiation criteria for the fracture of metals, including ductile and shear criteria.（金屬的斷裂包括延性損傷和剪切損傷）
Damage initiation criteria for the necking instability of sheet metal（金屬薄板的頸縮不穩定性）.
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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）。
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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。
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ABAQUS損傷斷裂 (例1) 金屬切割或沙柳切割斷裂 ￥26.67
1)該模型模擬了材料在旋轉切割下的損傷斷裂全過程，模型考慮了材料的彈性變形，塑性應變，損傷破壞的標準，損傷演化及斷裂的全過程，并考慮了溫度的影響；
2)模型可用于模擬沙柳切割過程，金屬切割過程及材料的損傷斷裂過程。
ABAQUS金屬狗骨件拉伸-延性損傷（Ductile）（JC失效準則 ￥10
ABAQUS金屬狗骨件拉伸-延性損傷（Ductile）（JC失效準則）自做模型，內附操作視頻，cae，inp文件
基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現象模擬（原創案例賞析，如轉載，請注明出處）
分析類型：基于GTN模型的金屬材料拉伸頸縮現象模擬
分析平臺：ANSYS17
技術難點：損傷力學 GTN模型 拉伸頸縮
關鍵詞：損傷力學 GTN模型 拉伸頸縮 孔洞生長和聚合
完成人：技術鄰ANSYS專家
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
技術背景：延性金屬的微觀損傷
工程意義：金屬損傷
研究對象：金屬圓桿
模擬過程：金屬材料拉伸頸縮現象模擬
GTN模型的適用范圍：延性金屬
微觀尺度的孔洞形核 生長和聚合模型
孔洞的演化方程
微觀塑性應變的演化方程
孔洞的形核有兩種：應力和應變
GTN模型的屈服準則
單元建模：
采用軸對稱
金屬干的軸對稱模型
GTN模型的材料定義
分析類型：靜力分析，（動態分析還沒有做，后續做出來再show一下）
邊界條件：下端固定，上端施加位移
計算結果
基于GTN損傷模型的延性金屬拉伸頸縮現象模擬
載荷位移曲線
后續可進一步的研究：
1、基于GTN的動態損傷、斷裂分析和裂紋擴展研究
2、動力學的GTN模型分析
作者說明：
ANSYS采用GTN的本構，利用宏觀的有限元方法實現模擬微觀尺度的延性金屬的損傷過程，但無法顯示孔洞的形核 生長 聚合甚至裂紋形成等微尺度信息，但可以從宏觀角度以較少的計算費用實現結構的損傷分析，相比于分子動力學，這個方面的優勢非常明顯。
另外分享一個基于分子動力學（MD)的金屬拉伸的孔洞形核、生長和聚合的數值仿真案例
展開 ：無金屬催化的活化炔聚合在聚合物損傷自檢測中的應用
然而，聚合物材料在長期的使用過程中難免會發生機械損傷，一些微小的裂痕的存在很有可能在外力作用下發展為宏觀裂紋，進而損害聚合物的結構完整性和材料性能。因此，聚合物機械損傷的自發性可視化研究具有重要的學術價值和工業意義。目前已有多種可用于可視化聚合物損傷的檢測體系被開發出來，但是具有“點亮”型變色響應，特別是依靠化學反應來觸發顏色變化的損傷檢測體系仍較少報道。
圖1. 無金屬催化的活化炔聚合在聚合物損傷自檢測中的應用
近日，唐本忠院士團隊深圳大學AIE研究中心韓婷助理教授等人開發了一種便捷高效的無金屬催化的活化炔聚合反應，該聚合體系具有顯著的反應觸發變色效應，可借助微膠囊技術應用于聚合物的損傷可視化檢測當中（圖1）。該工作以“Autonomous Visualization of Damage in Polymers by Metal‐Free Polymerizations of Microencapsulated Activated Alkynes”為題發表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2022, 2105395）。
圖2. 有機堿催化的新型活化炔聚合
如圖2所示，在DABCO（一種常用的有機堿）的催化下，雙官能度和三官能度的炔酯在0攝氏度或者室溫下無需氮氣保護即可快速發生聚合反應，生成一系列立構規整的聚合物。通過模型化合物的合成、反應機理探究、以及一系列的結構表征分析，證明聚合物中同時含有(E)-烯炔和(E)-烯醚兩種重復單元結構，其中烯炔結構為活化炔自聚合產生，烯醚結構為活化炔單體和水發生反應生成的副產物。
展開 基于擴展有限元（XFEM）模型的裂紋擴展斷裂分析（原創案例賞析，如轉載，請注明出處）
分析類型：基于擴展有限元（XFEM）模型的裂紋擴展現象模擬
分析平臺：ANSYS17
技術難點：斷裂模型建模
關鍵詞：斷裂力學 擴展有限元 裂紋擴展
完成人：技術鄰ANSYS專家
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
技術背景：金屬的斷裂損傷
工程意義：金屬損傷
研究對象：帶孔板
初始裂紋位置1的裂紋擴展
初始裂紋位置2的裂紋擴展
Abaqus修正GTN模型的VUMAT子程序
Gurson-Tvergaard-Needleman ( GTN) 模型是研究金屬損傷的重要工具。GTN 模型通過孔洞體積分數的演變來判斷材料的失效， 但不適用于剪切斷裂為主的韌性斷裂。本文在GTN模型中引入剪應力的影響，編寫了相關的VUMAT子程序。
GTN模型的屈服函數可以用下式表示
其中q1，q2是模型參數，取q1=1.5，q2=1,σ0為等效應力，p為靜水應力，q為Mises等效應力；f為空洞的體積分數。
p和q可以通過徑向返回算法得到
應變控制的孔洞形核系數
GTN模型可以通過以下4個方程進行描述
Nahshon and Hutchinson考慮了剪應力對模型的影響
于是孔隙體積分數的演化可以通過下式描述
仿真計算得到的結果如下圖所示
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展開 考慮剪應力影響的GTN模型及其在abaqus中VUMAT子程序的實現
Gurson-Tvergaard-Needleman ( GTN) 模型是研究金屬損傷的重要工具。GTN 模型通過孔洞體積分數的演變來判斷材料的失效， 但不適用于剪切斷裂為主的韌性斷裂。本文在GTN模型中引入剪應力的影響，編寫了相關的VUMAT子程序。
GTN模型的屈服函數可以用下式表示
其中q1，q2是模型參數，取q1=1.5，q2=1,σ0為等效應力，p為靜水應力，q為Mises等效應力；f為空洞的體積分數。
p和q可以通過徑向返回算法得到
應變控制的孔洞形核系數
GTN模型可以通過以下4個方程進行描述
Nahshon and Hutchinson考慮了剪應力對模型的影響
于是孔隙體積分數的演化可以通過下式描述
仿真計算得到的結果如下圖所示
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GTN損傷模型介紹及案例演示
因此不同學者針對該現象進行了不同程度的修正，這里選擇剪切修正中最為經典的四個進行說明
（1）Xue（2008）修正模型
該模型的修正思路是，進入剪切損傷對應的等效體積分數
通過lode參數區分材料的應力狀態，即可以區分不同應力狀態下的剪切對于孔洞體積分數的貢獻
（2）Nahshon和Hutchinson（2008）修正模型
可以看到這種剪切修正模型的實質是引入了應力的第三不變量的方式引入剪切應力對孔洞演化的影響
（3）Kim Lau Nielsen和Viggo Tvergaard（2010）修正模型
該模型主要對Nahshon和Hutchinson（2008）進行了修改，因為作者研究發現，NH模型雖然可以改善原始GTN模型低應力狀態下的損傷預測能力，但該模型高估了中等應力狀態下剪切對于損傷的貢獻，于是引入了剪切項的修正系數，該系數是應力三軸度相關的
（4）zhou（2014）修正模型
盡管以上模型都將剪切對于損傷的貢獻考慮進入了原始的GTN模型，但zhou認為這種修改方式高估了孔洞的發展，因為剪切造成的主要是形狀的改變，并有利于孔洞之間的相互聚集，從而造成了低應力狀態下的損傷，而非引起體積的膨脹，同時，上述修正模型依然無法描述負應力三軸度下的金屬材料損傷行為，因此作者將GTN模型與傳統的Lemaitre損傷概念相結合對GTN模型進行修正，修正后GTN的屈服函數表示為
Ds是剪切引起的損傷，作者把原始的體積分數等效為損傷系數，該損傷系數由孔洞損傷和剪切損傷兩部分組成，孔洞損傷部分遵循原始的GTN模型，Ds損傷表示為
可以看到該模型的適用性極好，且更加符合剪切損傷的特征，下圖是該模型預測純壓縮狀態下金屬的損傷
以上是GTN模型以及其剪切修正模型對應的介紹
下圖展示
展開 【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準則---{ 問題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點的損傷初始化準則，以及cd段的損傷演化（損傷后材料剛度退化路徑）。材料軟化后可持續承載，直到達到d點，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區間應力-應變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準則，包括韌性準則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準則（shear damage）。也就是圖2中紅框內的三個準則，它們都屬于金屬承載后產生裂紋的準則。
金屬板的徑縮不穩定損傷初始化準則，包括幾種成形極限圖，用于評估鈑金件的可成形性。也就是紅框外的幾個準則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構模型導圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準則和剪切準則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機理時用到不同的損傷起始準則（hooputra2004）：
機理1，由于內部（微裂紋）的成核、生長和孔隙的聚集產生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機理1韌性斷裂
機理2，由于剪力帶局部化產生的剪切斷裂，這時shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 鋼材單向拉伸試驗Abaqus模擬 附Abaqus詳細教程下載
前言
近期發現Abaqus數值分析中部分金屬材料的損傷本構可能有問題，索性找回以前的材性數據，重新梳理一番，標定本構。
延性金屬損傷
延性金屬本構關系如圖1所示。材料經歷彈性階段后開始屈服并進入塑性階段，達到峰值
以后因發生損傷應力會有快速下降的過程，最終材料斷裂。因此，金屬本構關系一般分為三個階段：彈性、塑性、損傷。前二者可以根據連續介質理論進行分析得到，但損傷關系更多時候是根據經驗建立得到。
一般來說，損傷本構可分別從損傷起始與損傷演化定義。對于前者，Abaqus提供了兩大類本構。第一類為金屬斷裂，包括延性準則與剪切準則；第二類為板材頸縮，包括FLD、FLSD、MSFLD與M-K準則。前者可考慮材料在拉、剪、壓下的響應，而后者在大部分情況下只能考慮受拉情形。本文僅對延性準則進行討論，其余本構可從手冊中獲取介紹Damage and Failure for Ductile Metals - SIMULIA User Assistance 2022 (3ds.com)。
圖1 應力-應變關系
延性準則
傳統斷裂觀點認為斷裂起始與應力三軸度，應變率有關。
展開 每日文章推薦（十二）
網格尺寸影響為：
損傷參數r影響為：
作者使用了兩個數值模型驗證程序的預測能力
(1)單軸拉伸試樣：
（2)缺口試樣拉伸；
基于作者提供的完整數值推到框架，可以編寫對應的vumat子程序進行金屬試樣的延性損傷數值模擬。
需要注意的是，該類模型對于單元尺寸很敏感，同一個試樣，同樣受力狀態下，網格的差異性也會導致裂紋萌生和擴展位置的差異，一般可以修正為非局部損傷模型可以避免這個問題，同時顯示損傷分析對于質量縮放也十分敏感，要仔細檢查質量縮放前后模擬的差異性。
圓柱狀試樣金屬拉伸斷裂模擬：
