蠕變損傷模型的案例
不同流道布置的平板式固體氧化物燃料電池蠕變損傷研究
目前對平板式 SOFC 不同的流道布置研究主要集中在電化學(xué)與熱應(yīng)力方面[14-16]，并沒有考慮流道布置對蠕變損傷的影響。因此，研究多場耦合作用下不同流道布置下的平板式 SOFC 溫度分布和蠕變損傷影響，闡明氣體流向?qū)ζ桨迨絊OFC 蠕變損傷的影響規(guī)律，對電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有著重要意義。
本文首先通過 COMSOL Multiphysics 軟件建立電化學(xué)-物質(zhì)傳遞-氣體流動-溫度多場耦合模型，得到了同流、逆流和交叉流道布置下平板式 SOFC 的不均勻溫度場分布。然后將多場耦合有限元模型得到的不均勻溫度場作為熱載荷施加至 ABAQUS 模型中，再基于延性耗竭模型，開發(fā)了 Wen-Tu 蠕變損傷子程序。最后建立了多場耦合綜合作用的三維平板式 SOFC 蠕變損傷模型，對三種不同流道平板式 SOFC 下的蠕變損傷進(jìn)行對比研究，為優(yōu)化平板式 SOFC 氣體流道布置提供理論和數(shù)據(jù)支持。
1 有限元模型及蠕變損傷計算
1.1 幾何模型
平板式 SOFC 單元通常由陽極-電解質(zhì)-陰極層(Positive-electrolyte-negative，PEN)和金屬連接體構(gòu)成，連接體是帶有空氣和燃料流道的肋骨狀結(jié)構(gòu)，本文對多通道陽極支撐平板式 SOFC 三種流向布置模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。模型有效面積 9.25×9.25 mm2，氣體流道寬度和高度均為 0.5 mm，平板式 SOFC 使用材料和具體幾何參數(shù)如表 1 所示。
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該部分為abaqus蠕變計算基本流程
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付費(fèi)部分為使用CREEP子程序建立雙曲正弦函數(shù)蠕變損傷子程序，含到達(dá)預(yù)設(shè)損傷值（假設(shè)為1.0）后終止計算，和USDFLD子程序控制材料參數(shù)（該子程序可用于損傷后的材料退化，如蠕變第三階段或者蠕變疲勞分析，若不需要場變量控制可對該部分代碼進(jìn)行刪除），相關(guān)理論請參考附件sci文獻(xiàn)。可提供關(guān)于CREEP子程序的幫助文件學(xué)習(xí)的相關(guān)指導(dǎo)
【CAE案例】化石燃料發(fā)電廠歧管的疲勞蠕變損傷分析
圖4 冷沖擊結(jié)束后的溫度場（℃）
圖5 冷沖擊結(jié)束后的應(yīng)力分布
使用IMPR_TABLE功能以表格的形式輸出關(guān)鍵部位上的累積塑性形變結(jié)果，將兩種設(shè)計的歧管的累積塑性形變進(jìn)行對比，降溫瞬態(tài)下的塑性變形結(jié)果如圖6所示，與原本設(shè)計相比，壁厚更薄的歧管疲勞損傷更小，厚度減少20%的設(shè)計，其使用壽命增加約43%，疲勞損傷計算結(jié)果見表1。在以后的計算中將考慮包括蠕變造成的損害。為此，將之前計算的結(jié)果用于所研究的兩種設(shè)計，以確定蠕變損傷情況。最終使用疲勞-蠕變相互作用的非線性模型可以在一定的可信度下評估歧管受到該典型負(fù)載時的壽命。
圖6 減溫循環(huán)期間在塑性最大應(yīng)力的高斯積分點(diǎn)處累積塑性變形（%）
表1 疲勞損傷計算(Manson-Coffin曲線)
04 總結(jié)
在通用結(jié)構(gòu)仿真軟件中使用VISC_CIN2_CHAB定義的新粘彈塑性行為模型可對部件機(jī)械疲勞與蠕變行為進(jìn)行模擬，從而對其壽命進(jìn)行預(yù)測，為將來重要部件的設(shè)計與日常維護(hù)提供了新方法。本次模擬結(jié)果表明可以通過降低歧管壁厚的方法降低因冷沖擊帶來的機(jī)械疲勞現(xiàn)象。
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基于cpfe的蠕變模擬，多晶體晶粒的結(jié)構(gòu)，晶界采用的是cohesive單元
通過UMAT實(shí)現(xiàn)基于DP屈服準(zhǔn)則的改進(jìn)西原模型的三維粘彈塑性（蠕變）本構(gòu)模型
在巖石工程中，大量的失穩(wěn)現(xiàn)象都與巖石的蠕變特性相關(guān)。傳統(tǒng)西原模型是目前可以比較好地描述巖石蠕變過程曲線的元件模型，但是，西原模型使用的元件為黏彈、黏塑性元件（如圖1），難以描述巖石屈服破壞后進(jìn)入加速階段的蠕變變形。滑坡預(yù)報，特別是臨滑預(yù)報在地質(zhì)災(zāi)害防治領(lǐng)域具有重要意義。
通過編寫abaqus UMAT子程序，可得到如下結(jié)果：
（1）應(yīng)力狀態(tài)較小時，僅發(fā)生彈性應(yīng)變和粘彈性應(yīng)變，最后隨時間趨于穩(wěn)定值。
（2）單元屈服時，發(fā)生粘彈塑性應(yīng)變，應(yīng)變隨加載時長逐漸增加，但尚未達(dá)到觸發(fā)應(yīng)變，曲線呈現(xiàn)兩階段特性。
（3）隨著加載時長的增加，應(yīng)變進(jìn)一步增加，超越觸發(fā)應(yīng)變后，進(jìn)入快速蠕變階段，應(yīng)變快速增加，曲線呈現(xiàn)三階段蠕變特性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 齊亞靜, 姜清輝, 王志儉, 等. 改進(jìn)西原模型的三維蠕變本構(gòu)方程及其參數(shù)辨識[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(2): 347-355.
[2] 沈才華, 張兵, 王媛, 等. 基于DP屈服準(zhǔn)則的西原本構(gòu)模型及其運(yùn)用[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2016, 12(2): 402-407.
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展開 GTN損傷及修正GTN損傷模型VUMAT子程序
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ABAQUS混凝土損傷塑性模型損傷因子對本構(gòu)關(guān)系影響 附c40~c45混凝土損傷因子ABAQUS輸入
但是ABAQUS塑性損傷模型除了能模擬單調(diào)加載的混凝土行為外，更重要的功能就是模擬循環(huán)、動態(tài)荷載下的混凝土反應(yīng)，在結(jié)構(gòu)的抗震性能分析能起到很好的作用。
在動荷載作用下，混凝土在受力過程中拉伸和壓縮都會產(chǎn)生損傷造成的裂縫開展，從而導(dǎo)致材料剛度退化。CDP 模型就假定混凝土材料主要因?yàn)槔扉_裂和壓縮破碎而破壞，拉伸和壓縮采用不同的損傷因子來描述這種剛度退化，詳見圖 1、圖 2。
圖中E0是材料初始未受損的彈性剛度。損傷變量dc和dt分別為壓縮和拉伸條件下的損傷因子，表示彈性剛度的退化。損傷后的彈性模量為（1-dc）E0，或（1-dt）E0。損傷因子dc或dt=0時表示沒有損傷，dc或dt=1時表示材料失去強(qiáng)度。
那么混凝土的塑性損傷本構(gòu)模型中的損傷因子到底對混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有什么影響呢？讓我們采用100mm*100mm*300mm的混凝土棱柱體模型來做個測試看一下。
依然采用C110級混凝土的本構(gòu)關(guān)系，混凝土的屈服應(yīng)力和非彈性應(yīng)變表格如下。子選項(xiàng)中損傷參數(shù)和非彈性應(yīng)變關(guān)系的表格也在圖中給出。
但是注意上圖中紅色框部分默認(rèn)是不填的，即下圖中的混凝土壓縮損傷——拉伸恢復(fù)因子wt，混凝土拉伸損傷——壓縮復(fù)原因子wc，默認(rèn)是不填的。
因?yàn)镃DP模型假定混凝土從拉伸到壓縮時裂縫會閉合，剛度會恢復(fù)；從壓縮到拉伸時裂縫仍然存在，剛度不會恢復(fù)。因此在ABAQUS中不填的話默認(rèn)wt(拉伸剛度恢復(fù)因子)=0，wc(壓縮剛性恢復(fù)因子)=1.
下圖為損傷因子和剛度恢復(fù)因子在混凝土載荷循環(huán)中對混凝土本構(gòu)模型的影響。
展開 基于塑性損傷模型（CDP）FRP約束混凝土ABAQUS有限元模型 ￥12.99
本模型為基于CDP的FRP約束混凝土ABAQUS有限元模型
1. 在部件的建立上，使用殼體模擬FRP，實(shí)體模擬混凝土
2. 在材料屬性上，混凝土采用CDP模型，基于混規(guī)。FRP材料的單層板模型，并且采用常規(guī)殼方式進(jìn)行鋪層，自定義了“離散”坐標(biāo)系。
3. 在分析部上，打開幾何非線性，輸出參考點(diǎn)RP-1的力和位移。
4. 在相互作用上，將加載力的平面耦合到參考點(diǎn)RP-1上，并將FRP與混凝土進(jìn)行綁定
5. 在荷載上，對混凝土底端進(jìn)行完全固定，限制上表面除了U3方向其他方向的位移。給予U3方向一定位移，采用位移加載。
6. 在網(wǎng)格部分，混凝土采用C3D8R，F(xiàn)RP采用S4R。
得到模型后，可以根據(jù)FRP層數(shù)、材料屬性進(jìn)行修改，根據(jù)混凝土實(shí)際強(qiáng)度進(jìn)行修改，輸出應(yīng)力應(yīng)變曲線或者其他需要的部分即可
以下為模型的CAE文件：
展開 【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準(zhǔn)則---{ 問題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
圖6-案例圖示
圖7-材料參數(shù)-彈塑性+韌性損傷+剪切損傷+損傷演化
計算結(jié)果：
圖8-工況1應(yīng)力云圖
圖9-工況1等效塑性應(yīng)變云圖
圖10-工況2應(yīng)力云圖
圖11-工況2等效塑性應(yīng)變云圖
····································模型文件····································
付費(fèi)部分提供螺栓失效工程案例的2個inp文件（工況1、工況2）。
huang晶體塑性umat耦合Johnson-cook 損傷模型，實(shí)現(xiàn)晶體材料彈-塑-損傷模擬分析
Johnson-cook 損傷起始準(zhǔn)則是延性損傷準(zhǔn)則模型的一個特例，用于預(yù)測延性金屬中孔洞的形核、生長和聚結(jié)導(dǎo)致的損傷起始。該模型假設(shè)損傷開始時的等效塑性應(yīng)變是應(yīng)力三軸性和應(yīng)變率的函數(shù)。同時可以考慮溫度的影響。
包含的材料參數(shù)有：
失效相關(guān)參數(shù)：d1-d5。
ABAQUS UMAT-混凝土受拉狀態(tài)下塑性損傷模型的簡單實(shí)現(xiàn) ￥600
本構(gòu)模型的實(shí)現(xiàn)算法摘抄自DeBorst的書籍《Nonlinear Finite Element Analysis of Solids and Structures》，基本如下：
為了簡化模型，筆者將書中損傷部分做了簡化，不再采用損傷屈服面進(jìn)行判定。損傷影子w的計算直接由塑性等效應(yīng)變確定。
在ABAQUS中建立100*100*100的立方體塊，試件的底部固定，頂部反復(fù)加載-卸載，通過UMAT得到的模擬結(jié)果如下：
ABAQUS UMAT - 混凝土塑性損傷模型的實(shí)現(xiàn) ￥1500
混凝土塑性損傷模型在工程上應(yīng)用較為廣泛，同類型的本構(gòu)模型多內(nèi)置于各類仿真軟件中，供用戶模擬混凝土結(jié)構(gòu)的破壞和受力情況。本文根據(jù)Peter Grassl 和 Milan Jira′sek 2006年的文章《Damage-plastic model for concrete failure》進(jìn)行本構(gòu)模型代碼復(fù)現(xiàn)，并對文中的模型進(jìn)行了一些簡化。
UMAT代碼和INPUT文件見付費(fèi)內(nèi)容
金屬韌性損傷材料失效模型應(yīng)用實(shí)例-Abaqus/Explicit鋼制管狀結(jié)構(gòu)多工況沖擊損傷失效分析 ￥49.9
在常溫狀態(tài)下，大多數(shù)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(jìn)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(jīng)歷彈塑性階段后達(dá)到損傷起始點(diǎn)a，繼續(xù)承載，損傷后的材料剛度折減，出現(xiàn)軟化，直到損傷參數(shù)D=1時，材料剛度退化為0，單元刪除。
韌性材料損傷漸進(jìn)失效模型
工程案例：
鋼制管狀結(jié)構(gòu)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(zhì)量5kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度100m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度200m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度300m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚5mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚20mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度400m/s，桶厚50mm;
沖擊質(zhì)量25kg，速度500m/s，桶厚50mm;
付費(fèi)部分為鋼制管狀結(jié)構(gòu)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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本excle簡捷易懂，只需在excle表中更改彈模以及軸心抗壓強(qiáng)度自動生成數(shù)據(jù)，表中列出了公式以及只需要輸入ABAQUS中的數(shù)據(jù)，十分容易上手
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裂隙多孔介質(zhì)流固耦合-損傷模型
comsol-水力壓裂巖石損傷耦合模型 ，含裂縫制作代碼matlab。
comsol HM耦合模型 損傷模型 裂隙多孔介質(zhì)注入流體引起天然裂隙，巖石產(chǎn)生新損傷的數(shù)值模擬，內(nèi)含MATLAB 網(wǎng)裂縫函數(shù)及comsol模型。
