韌性斷裂模擬的案例
鋼材韌性及斷裂原因研究
雖然斷裂韌性值大大方便了每種鋼的選擇，然而這些參數(shù)很難適用于所有鋼材。
主要原因有：
第一，因?yàn)樵阡摰囊睙挄r(shí)需加入一定數(shù)量的某種或多種合金元素，成材后再經(jīng)簡單熱處理便可獲得不同的顯微組織，從而改變了鋼的原有性能；
第二，因?yàn)闊掍摵蜐沧⑦^程中產(chǎn)生的缺陷，特別是集中缺陷（如氣孔、夾雜等）在軋制時(shí)極其敏感，并且在同一化學(xué)成分鋼的不同爐次之間，甚至在同一鋼坯的不同部位發(fā)生不同的改變，從而影響鋼材的質(zhì)量。
由于鋼材韌性主要取決于顯微結(jié)構(gòu)和缺陷的分散（嚴(yán)防集中缺陷）度，而不是化學(xué)成分。所以，經(jīng)熱處理后韌性會(huì)發(fā)生很大變化。要深入探究鋼材性能及其斷裂原因，還需掌握物理冶金學(xué)和顯微組織與鋼材韌性的關(guān)系。
1.鐵素體-珠光體鋼斷裂
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產(chǎn)量的絕大多數(shù)。它們通常是含碳量在0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為提高屈服強(qiáng)度及韌性而加入的其它少量合金元素的合金。
鐵素體-珠光體的顯微組織由BBC鐵（鐵素體）、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含量很低的碳鋼中，滲碳體顆粒（碳化物）停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當(dāng)碳含量高于0.02%時(shí)，絕大多數(shù)的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結(jié)構(gòu)，而稱為珠光體，同時(shí)趨向于作為“晶粒”和球結(jié)（晶界析出物）分散在鐵素體基體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光體含量占10%～25%。
盡管珠光體顆粒很堅(jiān)硬，但卻能非常廣泛地分散在鐵素體基體上，并且圍繞鐵素體輕松地變形。通常，鐵素體的晶粒尺寸會(huì)隨著珠光體含量的增加而減小。因?yàn)橹楣怏w球結(jié)的形成和轉(zhuǎn)化會(huì)妨礙鐵素體晶粒長大。因此，珠光體會(huì)通過升高d-1/2（d為晶粒平均直徑）而間接升高拉伸屈服應(yīng)力δy。
從斷裂分析的觀點(diǎn)看，在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼，其性能令人關(guān)注。
展開 復(fù)合材料的斷裂和韌性
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斷裂韌性的測試原理和方法（pdf格式） ￥1
斷裂韌性的測試原理和方法（pdf格式）
復(fù)合材料纖維方向斷裂韌性的測量方法
熟悉Abaqus內(nèi)嵌的二維hashin漸進(jìn)失效模型的同學(xué)都知道，在判斷損傷起始以后，需要依據(jù)材料的斷裂韌性對剛度進(jìn)行退化，如下圖所示。
上述表格中的數(shù)據(jù)即為材料不同方向拉壓開裂時(shí)的斷裂韌性，在Hashin漸進(jìn)失效模型中，四個(gè)斷裂韌性的數(shù)值分別用于求解四個(gè)失效位移值，如下圖所示。
以纖維方向拉斷為例，Gft為纖維方向拉斷對應(yīng)的斷裂韌性，XT為單向板0°方向的拉伸強(qiáng)度，根據(jù)這兩項(xiàng)就可以推出其失效位移為：
一般的，對于基體的斷裂韌性我們可以通過雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)（DCB實(shí)驗(yàn)，參見標(biāo)準(zhǔn)ASTM5528）來測得I型斷裂韌性。或者通過ENF試驗(yàn)來測得II型斷裂韌性。
DCB實(shí)驗(yàn)示意圖
ENF實(shí)驗(yàn)示意圖
目前在文獻(xiàn)或者試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中看到的都是針對基體或者界面的測試方法，很少有人去測試垂直纖維方向斷裂時(shí)的斷裂韌性。
本文將簡單介紹一下沿纖維方向斷裂時(shí)的斷裂韌性測試方法，文獻(xiàn)中能夠查找到的大多都是基于CT和CC試樣，下圖所示是拉伸斷裂時(shí)的斷裂韌性測試方法及建議的試件尺寸，其參考的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E399。
CT試樣示意圖
類似的，當(dāng)測試壓縮斷裂韌性時(shí)，采用CC試樣，其參考試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E1820，如下圖所示。
CC試樣示意圖
纖維方向開裂時(shí)的斷裂韌性一般要遠(yuǎn)大于基體開裂時(shí)的斷裂韌性，例如，文獻(xiàn)中的纖維拉伸斷裂韌性大約在50-150N/mm之間，而基體斷裂韌性大約在0.2-1.5N/mm之間，相差可以達(dá)百倍。
上述實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作過程中是很容易失敗的，因?yàn)榛w強(qiáng)度很低，即使按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建議的尺寸加工試件，在測試時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)裂紋90°拐折，導(dǎo)致測不出纖維拉斷或壓斷時(shí)的斷裂韌性，因此對試件的加工要求很高，感興趣的可以嘗試一下，國內(nèi)測試這類數(shù)據(jù)的還是很少的。
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哈佛大學(xué)鎖志剛院士課題組：寬度和厚度依賴的軟材料斷裂韌性
這些材料在應(yīng)用過程中，其斷裂韌性是一個(gè)非常重要的力學(xué)參數(shù)。通常情況下，材料的斷裂韌性被認(rèn)為是一個(gè)材料常數(shù)。它不依賴于材料的幾何形狀和加載方式。
圖1：軟材料的180°剝離實(shí)驗(yàn)
近日，哈佛大學(xué)鎖志剛院士課題組關(guān)于軟材料斷裂韌性的研究有了新的發(fā)現(xiàn)。研究人員以彈性體為模型材料，使用180°剝離實(shí)驗(yàn)測量軟材料的斷裂韌性（圖1）。在未變形狀態(tài)下，彈性體的長度為L、厚度為H、寬度為B。在固化過程中，使用低粘性的薄膜在彈性體中引入一個(gè)長度為C的預(yù)制裂紋（圖1a）。將可彎曲但不可拉伸的背膜粘在試件的上下兩面。試件通過拉伸機(jī)進(jìn)行加載(圖1b)。在加載過程中，兩個(gè)加載臂在豎直方向呈一條直線。載荷傳感器記錄剝離力F(圖1c)。剝離力從零開始逐漸增加。這對應(yīng)著裂紋尖端的鈍化過程。當(dāng)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)，剝離力穩(wěn)定在一個(gè)平臺(tái)，記作Fss。材料的韌性通過Γ=2Fss/B 計(jì)算得到。當(dāng)B/H比較大時(shí)，彈性體的裂紋尖端在剝離過程中處于平面應(yīng)變狀態(tài) (圖1d)。當(dāng)B/H比較小時(shí)，彈性體的裂紋尖端在剝離過程中處于平面應(yīng)力狀態(tài) (圖1e)。
研究人員首先固定樣品的厚度H，測量不同寬度B的樣品的剝離韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。可以看到，當(dāng)試件的寬度B比較小時(shí)，材料的斷裂韌性隨寬度B增加而增加。當(dāng)試件的寬度B比較大時(shí)，材料的斷裂韌性隨寬度B增加保持不變。寬度大的試件測得的材料韌性比寬度小試件測得的材料韌性高出一個(gè)數(shù)量級。
圖2：斷裂韌性隨試件寬度B變化
材料的斷裂韌性隨寬度增加這一現(xiàn)象可以作如下解釋。考慮斷裂過程區(qū)中的一個(gè)物質(zhì)點(diǎn)。這一點(diǎn)的應(yīng)力在試件的加載方向上不為零。
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
Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點(diǎn)的損傷初始化準(zhǔn)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(xù)承載，直到達(dá)到d點(diǎn)，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區(qū)間應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準(zhǔn)則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準(zhǔn)則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準(zhǔn)則，包括韌性準(zhǔn)則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準(zhǔn)則（shear damage）。也就是圖2中紅框內(nèi)的三個(gè)準(zhǔn)則，它們都屬于金屬承載后產(chǎn)生裂紋的準(zhǔn)則。
金屬板的徑縮不穩(wěn)定損傷初始化準(zhǔn)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(gè)準(zhǔn)則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進(jìn)損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構(gòu)模型導(dǎo)圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準(zhǔn)則和剪切準(zhǔn)則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機(jī)理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機(jī)理時(shí)用到不同的損傷起始準(zhǔn)則（hooputra2004）：
機(jī)理1，由于內(nèi)部（微裂紋）的成核、生長和孔隙的聚集產(chǎn)生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準(zhǔn)則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機(jī)理1韌性斷裂
機(jī)理2，由于剪力帶局部化產(chǎn)生的剪切斷裂，這時(shí)shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 模擬 施瓦辛格掰鐵棒和模擬鐵棒中間斷裂
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模擬鐵棒中間斷裂，只是一個(gè)大概的模型，很多細(xì)節(jié)沒考慮好，僅作拋磚引玉之用。
附圖：手中力與手的位移之圖。看來施瓦辛格掰的時(shí)候要小心了，嘿嘿
siwaxinge_cohesive.rar
Abaqus拉伸斷裂模擬 ￥20
<p>Abaqus狗骨頭拉伸斷裂模擬，鋼材拉伸斷裂模型，提供cae文件、odb文件、視頻教程，可供參考學(xué)習(xí)！</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202510/attachment/383ddbe1c3de403f9cdd33e4acf856b8.png" style="display: inline-block;" data-regular="true">
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展開 斷裂模擬大雜燴
突來奇想，能不能用abaqus做一個(gè)斷裂、破碎一勺燴的模擬呢！
為此做了個(gè)以下方式的大雜燴的練習(xí)：XFEM，VCCT，損傷+斷裂（復(fù)合模式），重力載荷+初速度
目的：模擬一個(gè)瓶子的破裂效果
建模：瓶子模型——用Hypermesh隨意做的，其厚度=2.0 mm，見笑了。
裂紋預(yù)置——初始裂紋預(yù)置在瓶子內(nèi)層豎向的兩個(gè)單元上，裂紋長度約10mm。
瓶子材料——瓶子的材料假定是鋼化玻璃，其E=75 Gpa，ν=0.25，ρ=2600 kg/m^3，
σmax=40 Mpa, GⅠ=1.5 N/MM, GⅡ=GⅢ=1.0 N/MM。
邊界條件——瓶子以50000 mm/s的初速度跌落到剛性地面上。
以下是inp文件和動(dòng)畫
bottle-cracking.rar
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突來奇想，能不能用abaqus做一個(gè)斷裂、破碎一勺燴的模擬呢！
為此做了個(gè)以下方式的大雜燴的練習(xí)：XFEM，VCCT，損傷+斷裂（復(fù)合模式），重力載荷+初速度，隱式動(dòng)力+靜力。
目的：模擬一個(gè)瓶子的破裂效果
建模：瓶子模型——用Hypermesh隨意做的，其厚度=2.0 mm，見笑了。
裂紋預(yù)置——初始裂紋預(yù)置在瓶子內(nèi)層豎向的兩個(gè)單元上，裂紋長度約10mm。
瓶子材料——瓶子的材料假定是鋼化玻璃，其E=75 Gpa，ν=0.25， ρ=2600kg/m^3,σmax=40 Mpa, GⅠ=1.5 N/MM, GⅡ=GⅢ=1.0 N/MM
邊界條件——瓶子以50000 mm/s的初速度跌落到剛性地面上。
分析步驟——一個(gè)隱式動(dòng)力步加一個(gè)靜力步
以下是inp文件和動(dòng)畫
bottle.png
bottle1.gif
bottle2.gif
bottle3.gif
bottle-xfem.rar
展開 斷裂模擬收徒！（長期有效、長期指導(dǎo)、保證盡快學(xué)會(huì)！）
<p>個(gè)人自2012年從事abaqus的斷裂模擬相關(guān)工作，在斷裂方向以第一作者已發(fā)表SCI論文30多篇，主持國自然等項(xiàng)目多項(xiàng)，專業(yè)知識(shí)及技能請你放心，對于abaqus中的斷裂模擬基本手段早已得心應(yīng)手。</p><p>個(gè)人從開始接觸斷裂模擬以來也都是辛苦一路走來，深知入門的艱辛。</p><p>在早些年斷裂的學(xué)習(xí)十分困難，沒有多余的學(xué)習(xí)資料和視頻，只能自己翻譯幫助文檔，自己摸索，四處網(wǎng)絡(luò)上詢問。隨著近幾年做斷裂的學(xué)者越來越多，關(guān)于斷裂的學(xué)習(xí)資料和視頻也越來越多，也正因?yàn)樵絹碓蕉嗟馁Y料會(huì)讓初學(xué)者看的顛三倒四，甚至誤解其中的含義。</p><h1>目前初學(xué)者面臨的兩個(gè)主要困難是，第一是斷裂模擬手段太多了，哪種適合我，選哪個(gè)，它們之間都是什么關(guān)系，怎么學(xué)，看誰的資料和視頻？第二是照著一個(gè)例子會(huì)做了，感覺掌握了，但是運(yùn)用到自己的模型上為什么總是各種不收斂，各種算不完呢，到底問題出在哪里？</h1><h1>如果你有以上的困擾，建議你找一個(gè)可以長期輔導(dǎo)你的老師傅，遇到問題可以給你提供多種解決思路，不斷的積攢經(jīng)驗(yàn)，慢慢地你也將成為一個(gè)老司機(jī)了，</h1><p>對于abaqus的建模、調(diào)試、前后處理，二次開發(fā)個(gè)人積攢了很多經(jīng)驗(yàn)，基本可以解決大家常見的所有問題，斷裂方法及常見問題更是不再話下，如果長期跟學(xué)，我可以提供學(xué)習(xí)資料、學(xué)習(xí)視頻、長期答疑、長期模型調(diào)試、遠(yuǎn)程查看模型、隨問隨答、相關(guān)插件等。</p><p>斷裂模擬收徒工作最近兩年一直在進(jìn)行，當(dāng)前收徒已超百人。</p><p>如果你也有意向長期跟學(xué)，<span style="color: rgb(25, 27, 31);">有意向或感興趣的可以扣扣105*75*93*923、唯心132*7927*83*59。
展開 
棒狀鋼材斷裂模擬
模型難點(diǎn)：
√ 模型的斷裂本構(gòu)
√ 模型的斷裂設(shè)置
√ 模型的后處理
粘結(jié)單元cohesive 模擬斷裂
通過建立零厚度粘聚單面cohesive Element 模擬混凝土或復(fù)合材料層合板開裂：
實(shí)例可詳見：
http://forum.simwe.com/thread-1134530-1-1.html
交流郵箱：1551647104@qq.com；
裂紋模擬斷裂仿真軟件
主要目標(biāo)就是為用戶提供一個(gè)對含缺陷構(gòu)件方便準(zhǔn)確進(jìn)行模擬計(jì)算的平臺(tái)，以評估含裂紋等缺陷金屬構(gòu)件的安全性與可靠性。ALOF的分析精度已為大量的實(shí)驗(yàn)和學(xué)術(shù)論文所證明。
ALOF的主要功能和特色為：
⑴ 方便快捷地模擬含裂紋或缺陷體的失效破壞過程，評估裂紋構(gòu)件的安全與可靠性。建立分析模型時(shí)可不預(yù)設(shè)裂紋形狀，裂紋擴(kuò)展過程更無需人工干預(yù)；為提高分析精度，用戶可在裂紋附近進(jìn)行高效的分層加密。
⑵ ALOF擁有友好的用戶交互界面，用戶可以在交互界面上建立CAE網(wǎng)格模型、定義材料和荷載以及選擇多種裂紋求解算法。ALOF可以根據(jù)分析結(jié)果生成失效或破壞過程的動(dòng)畫，提供用戶所需要的失效分析報(bào)告。
下面是采用該軟件對一個(gè)門式起重機(jī)主梁的角焊縫裂紋安全評估與檢修周期制定。
1、背景介紹及模型簡化ALOF實(shí)現(xiàn)
門式起重機(jī)主梁的角焊縫是最容易出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的區(qū)域之一，我們以此部位為例介紹ALOF確定漏檢設(shè)備檢修周期的過程。
圖1.門式起重機(jī)示意圖
圖2.門式起重機(jī)主梁參數(shù)化建模對話框與參數(shù)化模型
通過對該設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場儀器探測和主梁模型的有限元分析，發(fā)現(xiàn)在某角焊縫處存在最大拉應(yīng)力σm=150MPa，該部位受力如下圖3所示
圖3角焊縫模型
該角焊縫處存在一漏檢表面裂紋，以探測設(shè)備的漏檢長度作為裂紋初始長度，裂紋長度a =2mm，如下圖4所示。對該角焊接局部區(qū)域建立有限元模型，并定義初始裂紋，進(jìn)行檢修周期的計(jì)算，有限元模型如圖所示。
展開 材料脆性斷裂有限元模擬的UEL子程序?qū)崿F(xiàn)方法
一、引言
相場斷裂模型是描述當(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)用于材料斷裂過程的模擬研究。UEL (User Element Subroutine) 子程序允許用戶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)子程序可以供用戶自定義材料的本構(gòu)模型，同時(shí)可彌補(bǔ)UEL子程序無法可視化的缺陷。本文中的計(jì)算結(jié)合UEL子程序與UMAT子程序，采用雙層模型進(jìn)行交互計(jì)算材料的斷裂過程。
