陶瓷脆性斷裂
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-31
陶瓷脆性斷裂的視頻教程
ABAQUS裂紋專(zhuān)題片--脆性斷裂
詳細(xì)講解了abaqus/explicit 中脆性開(kāi)裂模型的適用對(duì)象（混泥土、陶瓷、巖石等脆性材料），脆性開(kāi)裂模型在abaqus中相關(guān)卡片設(shè)置（理論+實(shí)際講解）、使用該模型時(shí)應(yīng)該注意的事項(xiàng)、顯示分析有關(guān)沙漏控制的相關(guān)方法等。附帶卡片介紹，供下載。
￥25 20分鐘 467播放
查看
陶瓷脆性斷裂的實(shí)例教程
斷裂相場(chǎng)法. 北京: 科學(xué)出版社; 2022.
[2] Kristensen PK, Martínez-Pa?eda E. Phase field fracture modelling using quasi-Newton methods and a new adaptive step scheme. Theoretical and applied fracture mechanics. 2020;107:102446.
脆性是無(wú)機(jī)非金屬材料的一個(gè)共同的致命的弱點(diǎn)，陶瓷的脆性，其直觀表現(xiàn)是：在外加負(fù)荷下，斷裂是無(wú)先兆的，暴發(fā)的。間接表現(xiàn)是:抗機(jī)械沖擊性和溫度急變性差。脆性，也是衡量陶瓷材料性能的重要特征之一，是陶瓷材料的致密弱點(diǎn)。
陶瓷脆性的本質(zhì)主要由化學(xué)鍵性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)所決定，在陶瓷中缺少獨(dú)立的滑移系，材料一旦處于受力狀態(tài)就難于通過(guò)滑移所引起的塑性形變來(lái)松弛應(yīng)力。從顯微結(jié)構(gòu)上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應(yīng)力高度集中，繼而微裂紋擴(kuò)展以致斷裂。
陶瓷材料的脆性特征：
1、共價(jià)鍵特征
陶瓷材料中組成化學(xué)鍵的原子間有許多空隙，難以引起位錯(cuò)的移動(dòng)。
共價(jià)鍵有方向性，會(huì)使晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且具有較高的抗畸變和阻礙唯一運(yùn)動(dòng)的能力。
2、顯微結(jié)構(gòu)特征
陶瓷材料屬于多晶體，為多相結(jié)構(gòu)，它的晶界會(huì)阻礙位移，聚集的位移會(huì)引起裂紋的形成，加上實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中點(diǎn)、線、面缺陷的存在，且其內(nèi)部還存在顯微和亞顯微裂紋，其結(jié)構(gòu)上的不均勻性更是在所難免。
此外，晶界、氣孔、晶相、二相夾雜以及裂紋等顯微結(jié)構(gòu)因素，都能導(dǎo)致陶瓷材料呈現(xiàn)脆性。
3、無(wú)塑變特征
常溫下大多數(shù)陶瓷材料在外力作用下沒(méi)有或只有很小的塑性變形，這就導(dǎo)致陶瓷材料斷裂時(shí)都比較突然，即呈現(xiàn)出脆性。
脆性斷裂是當(dāng)材料受力后將在低于其本身結(jié)合強(qiáng)度的情況下作應(yīng)力再分配，而外加應(yīng)力的速率超過(guò)應(yīng)力再分配的速率時(shí)沒(méi)有其它吸收能量的過(guò)程，應(yīng)力無(wú)法松弛，則集中用于裂紋的擴(kuò)展上，使得擴(kuò)展速度十分迅速，最終導(dǎo)致突發(fā)性破壞。脆性斷裂是裂紋擴(kuò)展的終結(jié)。
顯微結(jié)構(gòu)與脆性的關(guān)系：
1、晶粒尺寸與裂紋
由于陶瓷制備工藝的復(fù)雜性，晶內(nèi)裂紋的存在幾乎不可避免，減少晶粒尺寸可以使陶瓷材料脆性得到改善。
晶粒尺寸減小，晶粒增多，會(huì)加大裂紋擴(kuò)展的阻力。
展開(kāi) 1 引言
本部分介紹來(lái)自于《斷裂相場(chǎng)法》書(shū)籍。
“1998年Francfort和Marigo根據(jù)Griffith脆性斷裂理論，提出了一種斷裂力學(xué)變分原理，他們以結(jié)構(gòu)內(nèi)可能的位移場(chǎng)和裂紋面作為自變量，將變形能與斷裂面之和定義為結(jié)構(gòu)總能量，并且認(rèn)為真實(shí)的位移場(chǎng)與裂紋面使得該總能量最小。然而在數(shù)值模擬中將離散的裂紋面作為未知量來(lái)求解是非常困難的。因此2000年Bourdin等提出了一種相場(chǎng)模型，其中引入了一個(gè)連續(xù)的標(biāo)量場(chǎng)，即相場(chǎng)，來(lái)近似地描述裂紋。相場(chǎng)值為1和0分別代表材料完全破壞和完好兩種極限狀態(tài)，而它們之間的值代表了一種損傷狀態(tài)，并且裂紋的彌散程度由相場(chǎng)特征寬度來(lái)控制，其值越大彌散寬度越大，反之則越小。然后通過(guò)一個(gè)與相場(chǎng)相關(guān)的裂紋面密度泛函來(lái)重構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)的斷裂能，并將因損傷而退化的變形能與重構(gòu)的斷裂能代入Francfort-Marigo變分原理就得到了相場(chǎng)模型的基本列式。相場(chǎng)模型中的自變量為兩個(gè)連續(xù)變化的場(chǎng)，即位移場(chǎng)和相場(chǎng)，因此它可以很方便地由不同數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)。直觀來(lái)看，相場(chǎng)模型將一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)裂紋萌生與演化問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為了一個(gè)多場(chǎng)耦合情況下求最小能量的優(yōu)化問(wèn)題，因此它可以用于直接求解（例如分叉、交叉、融合、扭結(jié)等）復(fù)雜斷裂問(wèn)題，而不需要額外的裂紋路徑追蹤方法。”
2 理論
將系統(tǒng)的總勢(shì)能表示為如下兩項(xiàng)：
式中第一項(xiàng)能量為：
考慮損傷帶來(lái)的退化，彈性能的表達(dá)式為：
式中
k為一個(gè)小值，用于防止數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象。另一項(xiàng)斷裂能為：
因此代入具體表達(dá)式可將系統(tǒng)總勢(shì)能表達(dá)為：
對(duì)上述能量進(jìn)行一階變分可得：
即可得弱形式方程為：
具體外力虛功為：
式中本構(gòu)方程為：
該弱形式方程是后續(xù)推導(dǎo)有限元方程的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)弱形式方程也可推導(dǎo)得到強(qiáng)形式的控制方程，即位移場(chǎng)和相場(chǎng)的控制方程。
展開(kāi) 我用的材料是顆粒增強(qiáng)復(fù)合樹(shù)脂，延伸率只有2％，屬于脆性材料
A：我也正在用MARC做斷裂分析,不知道你算的是什么樣的問(wèn)題,如果是MODE I 斷裂模型的話,我推薦你使用能量法,MARC會(huì)為你算出J積分值的,而且對(duì)于脆性材料,其J積分值正好就是能量釋放率.我做的問(wèn)題是納米涂層結(jié)構(gòu)在MIXED MODE下的斷裂分析,由于摩擦的存在,J積分可能不再保持其積分路徑無(wú)關(guān)性,所以采用直接法來(lái)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的,也就是用應(yīng)力或位移來(lái)算SIF.聽(tīng)說(shuō)MARC中可以在尖端處采用特異單元來(lái)擬出應(yīng)力特異性,但我不會(huì)用,所以只好通過(guò)REFINE來(lái)細(xì)分尖端區(qū)域(最小單元長(zhǎng)度在10E-3量級(jí)就差不多了(在MODE I下.采用能量法計(jì)算的話,不用細(xì)分尖端點(diǎn)).然后通過(guò)應(yīng)力(或位移)結(jié)果求K值,并用外插法來(lái)求出尖端點(diǎn)處的K值.隨裂紋成長(zhǎng),K和斷裂長(zhǎng)度的關(guān)系,我用了個(gè)笨辦法.就是預(yù)先知道斷裂擴(kuò)展方向的基礎(chǔ)上,在每個(gè)裂紋長(zhǎng)度下計(jì)算出K值,就可以得出K和a的關(guān)系曲線了.不過(guò)很麻煩,我一共建了14個(gè)模型算的,光建模就要花費(fèi)了很多時(shí)間,但結(jié)果還算可以.
我再給你介紹一種方法,供你參考.我研究室有個(gè)老頭,10年前用MARC算過(guò)纖維復(fù)合材料的單纖維push-out問(wèn)題,他在纖維和基體的界面處,用用戶(hù)自定義TYING進(jìn)行約束,然后在UFORM子程序中給出TYING拖開(kāi)的條件(他是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出最大剪應(yīng)力以后,以此應(yīng)力作為拖開(kāi)基準(zhǔn)的,不過(guò)好象不準(zhǔn)),這樣,就可以實(shí)現(xiàn)在加載過(guò)程中裂紋自動(dòng)擴(kuò)展.但大前提仍然是事先預(yù)測(cè)好擴(kuò)展方向.我本來(lái)想試試,不過(guò)我這的MARC好象安裝有問(wèn)題,子程序的compiler總是不行.
展開(kāi) 共建立以下幾種幾何模型：
圖1 裂紋試樣及多孔洞試樣模型及網(wǎng)格劃分
模擬結(jié)果如下：
圖2 脆性斷裂相場(chǎng)模擬結(jié)果
五、小結(jié)
在不同加載情況下，裂紋試樣的斷裂模式不同；多孔模型在加載時(shí)，裂紋主要從孔洞附近的薄弱區(qū)域萌生及擴(kuò)展，直到最終裂紋合并及斷裂。模擬結(jié)果較好地反映了相場(chǎng)斷裂模型在模擬材料損傷斷裂，該方法可以更進(jìn)一步擴(kuò)展至材料的彈塑性斷裂、服役結(jié)構(gòu)件在極端載荷作用下的損傷等過(guò)程的模擬。
陶瓷脆性斷裂的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
陶瓷脆性斷裂的最新內(nèi)容
1. 簡(jiǎn)要說(shuō)明
本案例不僅提供MATLAB 相場(chǎng)斷裂代碼，還有代碼對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)公式說(shuō)明文檔！方便理解。
相場(chǎng)法（Phase-Field Method, PFM）作為當(dāng)前斷裂力學(xué)模擬的熱門(mén)方法，編程門(mén)檻較高。
初學(xué)者的困境：閱讀文獻(xiàn)中的公式往往一頭霧水，不知道如何轉(zhuǎn)化為離散的有限元代碼。
現(xiàn)有資源的門(mén)檻：網(wǎng)上的開(kāi)源代碼多為Fortran編寫(xiě)的Abaqus UEL/UMAT子程序
平面應(yīng)力脆性斷裂相場(chǎng)AT2模型10個(gè)月前
1 UEL用法
使用UEL子程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先通過(guò)Abaqus建模生成計(jì)算所需的inp文件，然后需要對(duì)Abaqus的inp文件進(jìn)行如下幾處的修改，以附件中test\single_edge_notched_tension\length0.01文件夾下的SEN_plane_stress_uel.inp文件為例：
（1） 首先添加UEL的定義
值得說(shuō)明的是，方框中的定義方式能夠使得傳入
1、根據(jù)論文《Three-dimensional modeling of fracture in quasi-brittle materials using plasticity and cohesive finite elements》DOI:https://doi.org/10.1007/s10704-021-00514-1 編寫(xiě)的cohesive單元本構(gòu)
2、適用于三維模型
3、
模型尺寸為50 mm × 9.8 mm，初始溫度設(shè)置為680 K, 環(huán)境溫度設(shè)置為 300K；
材料參數(shù)如表所示
最終裂紋形態(tài)如圖所示：
1 引言
本部分介紹來(lái)自于《斷裂相場(chǎng)法》書(shū)籍。
“1998年Francfort和Marigo根據(jù)Griffith脆性斷裂理論，提出了一種斷裂力學(xué)變分原理，他們以結(jié)構(gòu)內(nèi)可能的位移場(chǎng)和裂紋面作為自變量，將變形能與斷裂面之和定義為結(jié)構(gòu)總能量，并且認(rèn)為真實(shí)的位移場(chǎng)與裂紋面使得該總能量最小。然而在數(shù)值模擬中將離散的裂紋面作為未知量來(lái)求解是非常困難的。因此2000年Bourdin等提出了一種相場(chǎng)模型，其中引入了一個(gè)連續(xù)的標(biāo)量場(chǎng)
一、引言
相場(chǎng)斷裂模型是描述當(dāng)裂紋尖端狀態(tài)達(dá)到臨界能量釋放率時(shí)發(fā)生裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象的工具，被廣泛應(yīng)用于材料斷裂過(guò)程的模擬研究。UEL (User Element Subroutine) 子程序允許用戶(hù)自定義單元的切線剛度矩陣及節(jié)點(diǎn)力向量，在實(shí)現(xiàn)相場(chǎng)斷裂模型時(shí)具有靈活性與便利性。UMAT (User Material Subroutine)子程序可以供用戶(hù)自定義材料的本構(gòu)模型，同時(shí)可彌補(bǔ)
脆性是無(wú)機(jī)非金屬材料的一個(gè)共同的致命的弱點(diǎn)，陶瓷的脆性，其直觀表現(xiàn)是：在外加負(fù)荷下，斷裂是無(wú)先兆的，暴發(fā)的。間接表現(xiàn)是:抗機(jī)械沖擊性和溫度急變性差。脆性，也是衡量陶瓷材料性能的重要特征之一，是陶瓷材料的致密弱點(diǎn)。
陶瓷脆性的本質(zhì)主要由化學(xué)鍵性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)所決定，在陶瓷中缺少獨(dú)立的滑移系，材料一旦處于受力狀態(tài)就難于通過(guò)滑移所引起的塑性形變來(lái)松弛應(yīng)力。從顯微結(jié)構(gòu)上看，脆性的根源在于微裂紋的存在
對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的模擬，在ABAQUS中，集成了二維Hashin失效準(zhǔn)則與多種損傷演化準(zhǔn)則，但缺少三維的復(fù)合材料本構(gòu)模型。
參考已有的3Dhashin失效準(zhǔn)則編寫(xiě)復(fù)合材料脆性斷裂子程序。
首先介紹該子程序的使用方法
1.在ABAQUS中建立三維復(fù)合材料模型，這里建立一個(gè)簡(jiǎn)單的方塊。1,2方向分別表示絲束的方向，3方向表示垂直于1，2的方向，也就是面外方向。
2.建立材料屬性（
基于粘結(jié)裂縫模型的非均勻準(zhǔn)脆性材料斷裂模擬研究
1 概述
本帖嘗試就BRITTLE CRACKING 模擬脆斷。 雖然BRITTLE CRACKING主要用于混凝土的斷裂分析，現(xiàn)在也逐漸應(yīng)用到陶瓷等其他脆性材料的斷裂分析。
2 設(shè)置
除了密度和彈性模量，需要設(shè)置材料的破壞參數(shù)，比如brittle cracking中的brittle failure 和brittle shear
brittle cracking 指定材料的拉伸強(qiáng)度
