材料疲勞與失效分析的案例
ABAQUS材料斷裂與失效-XFEM|VCCT|COHESIVE|疲勞|侵蝕
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開胃菜：斷裂力學的基本概念【完成】
專題一：圍道積分運算【完成】
專題二：材料的損傷和侵蝕【完成】
專題三：基于Cohesive方法的斷裂仿真【正錄】
專題四：VCCT詳解與應用【籌備】
專題五：XFEM詳解與應用【籌備】
專題六：低周疲勞仿真【籌備】
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專題二：材料的損傷和侵蝕
一招搞定金屬材料表面完整性！再也不用擔心零件疲勞失效了
金屬材料的疲勞、應力腐蝕、高溫氧化等力學、物理和化學性能，很大程度上取決于材料的表面完整性。所謂表面完整性是指表面粗糙度、表層殘余應力、表層顯微組織、表層致密度和表面形貌等狀態的完好程度。大量的航空零件失效分析表明，屬于疲勞失效的零件約占80%，而材料的表面完整性是影響材料疲勞性能的重要因素之一。
噴丸強化技術是一種材料表面機械冷加工方法，借助高速運動彈丸流或高能沖擊波撞擊材料的表面，使材料表層發生彈塑性變形，呈現較好的表面完整性，從而提高材料的抗疲勞強度、微動疲勞抗力及損傷容限性能的一種表面強化方法。
在航空工業中，航空零件的表面完整性直接影響其使用性能和服役能力，特別是零件的疲勞使用性能。噴丸強化技術通過改變材料表面完整性顯著提高各類航空零部件的疲勞性能，且具有成本低、適應性強和操作方便等優點，在航空領域應用廣泛。
表層殘余應力
噴丸強化在材料表層引入殘余應力場，其中靠近受噴材料表面一側呈現為殘余壓應力，板材單面噴丸強化后的表層殘余應力分布特征曲線如圖1 所示。普遍認為殘余壓應力是提高工程材料抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能的重要強化機制，而且殘余壓應力值大小、壓應力層深度對工件疲勞強度或壽命影響顯著。因此，如何實現殘余應力分布特征的調控是該領域重要研究內容之一。
殘余應力分布特征曲線包括5個主要特征參數：表面殘余應力值、殘余壓應力深度、最大殘余壓應力及其位置、最大殘余拉應力。彈丸撞擊材料表面時，通常與材料表面產生近似的赫茲接觸，形成的最大彈性應力出現在材料次表面，所以通常噴丸強化最大殘余壓應力位于次表面。在某些情況下，殘余應力分布特征發生變化，例如噴丸強化采用低密度的玻璃彈丸介質時，由于入射動能小，其噴丸強化鈦合金和鋁合金的最大殘余壓應力值出現在表面。
展開 螺栓失效的熱力耦合疲勞仿真分析
△圖7：實驗對比分析結果
經典案例
一、基于熱-力耦合分析的LNG低溫軟管內波紋管的疲勞性能研究
△圖8：軟管內波紋管的疲勞仿真
1、 波紋管熱-力耦合分析（輸送壓力載荷）
Goodman 公式轉換應力曲線的應力幅值：
2、 波紋管在常溫-低溫交變載荷作用下的疲勞性能
利用Basquin公式描述材料的S-N曲線，求在某一應力水平下的疲勞壽命：
3、聚焦波紋管的應力熱點區域，開展結構優化
基于Miner線性損傷累計理論，描述LNG低溫軟管內波紋管在壓力、常溫-低溫循環載荷符合作用下的損傷量：
二、循環載荷下柔性管線接頭鎧裝鋼絲粘結損傷分析
△圖9：鎧裝鋼絲與樹脂粘結有限元模型
1、 疲勞載荷下樹脂溫度的變化
△圖10：樹脂試樣表面溫度變化
2、 疲勞載荷下樹脂彈性模量的變化
△圖11：樹脂彈性模量隨溫度變化關系
3、 樹脂在循環載荷下的損傷累積
展開 焊點失效的熱振耦合疲勞仿真分析
△圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素
4、 焊點失效的四種模式：
4.1 熱交變應力破壞失效
? 溫度變化
? 材料蠕變損傷
? 變形與裂紋擴展
4.2 疲勞破壞失效
?由振動載荷引起的高周疲勞失效
4.3 化學因素腐蝕破壞失效
? 水分、氧氣其他離子
? 化學反應腐蝕
? 粘結強度等機械性能降低
4.4 動態機械載荷破壞失效
? 跌落、沖擊和振動
? 開裂、脆裂等損傷
研究內容
△圖3：焊點熱耦合疲勞仿真分析內容
1、基本力學參數的獲取
? 調研焊點、焊腳的材料屬性
? 試驗獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學性能參數
? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構關系
2、疲勞數據庫的建立
? 通過疲勞試驗建立材料、界面相的疲勞特性曲線
? 建立單個焊點的有限元分析模型
? 加載循環載荷預測焊點的疲勞壽命與失效位置
? 通過與實驗比較，對有限元分析模型進行驗證
△圖4：不同封裝結構下無鉛SAC305焊點的S-N曲線
3、整機仿真模型
一般而言，在有限元模態分析中，系統的固有頻率會隨著網格密度的增加而降低至一個穩定的收斂值，為了找到合適的網格劃分密度，需要對其進行網格收斂性檢查。振動試驗載荷一般有正弦、窄帶隨機和寬帶隨機三種，PCB邊界條件有四角四點固支，端部四點固支，六點固支，中間四點固支以及中間兩點固支。
3.1 有限元模型建模
△圖5：焊點有限元建模
3.2 組件中各層材料參數設置
考慮到振動過程中焊點發生的一般是彈性形變，無需考慮材料的蠕變參數，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。
展開 
金屬韌性損傷材料失效模型應用實例-Abaqus/Explicit鋼制管狀結構多工況沖擊損傷失效分析 ￥49.9
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。
展開 一文了解金屬材料失效分析（上）
塑性變形失效：當受載荷的材料產生不可恢復的塑性變形大到足以影響裝備正常發揮預定的功能時，就出現塑性變形失效。
韌性斷裂失效：材料在斷裂之前產生顯著地宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。
脆性斷裂失效：材料在斷裂之前沒有發生或很少發生宏觀可見的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。
疲勞斷裂失效：材料在交變載荷作用下，經過一定的周期后所發生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。
腐蝕失效：腐蝕是材料表面與服役環境發生物理或化學的反應，使材料發生損壞或變質的現象，材料發生的腐蝕使其不能發揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及材料表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現的局部腐蝕，局部腐蝕又分為點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。
磨損失效：當材料表現相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時，由于物理和化學的作用，材料表面的形狀、尺寸或質量發生變化的過程，稱為磨損。由磨損而導致構件功能喪失，稱為磨損失效。磨損有多種形式，其中常見粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。
展開 不用UMAT也能分析復合材料失效情況？
<h3 class="ql-align-center"><strong style="color: rgb(77, 77, 77);">靜力失效的兩種分析思路</strong></h3><p>《談材料力學行為研究的標配—ABAQUS UMAT》一文中，我們介紹了UMAT的一些基本信息，從現在做深入研究和做論文的角度來說，研究材料失效似乎已經離不開子程序。然而在工程中，我們常常面臨的場景是強度校核，而非一定要把材料失效的點算準。</p><p>目前對于復合材料的靜力失效主要材料兩種思路：</p><p>(1) 思路一，漸進失效分析。該思路的目標是計算結構的失效極限。對結構逐級加載，并監測失效單元，對加載過程中出現失效的單元進行性能折減，當失效單元數量達到一定程度，載荷變形曲線掉落，此時認為結構失效。</p><p>(2) 思路二，校核安全。在完成應力計算后，采用一定的強度準則進行失效判斷，從而確定設計載荷是否滿足安全要求。</p><p>思路一通常適用于結構簡單的模型，并需要開發專門的UMAT本構程序，且對單元的使用限制很大。實際的結構件大都鋪層較厚，采用該思路需要將每一層進行單獨的網格離散，給網格質量控制與生成帶來了困難。</p><p>相比之下，思路二更適用于工程計算。我們今天就給出一個針對復合材料構件校核安全的實現方法。</p><h3 class="ql-align-center"><strong>基本思路</strong></h3><p>ABAQUS內置了復合材料殼的2D強度準則。如果是實體單元或者自定義強度準則，就需要我們脫離ABAQUS對結果進行后處理。</p><p>思路如下圖，該思路的適用場景是，單元的層數和實際鋪層并不對應，ABAQUS的鋪層模塊會根據鋪層信息和單向帶材料參數，完成等效材料參數的計算。
展開 NX 復合材料Laminate Failure Analysis 失效分析
文檔主要介紹了NX下復合材料壓層失效分析的前后處理功能。對2D及3D的失效分析特性，步驟及軟件相關功能模塊進行了介紹。NX對復合材料的失效分析的后處理結果也很強大，例舉了幾種結果進行介紹，如Failure index results，Strength ratio results，Margin of safety results等。
最后，主要介紹了相關理論的分類，如Limit failure theories，Interactive failure theories，并對這兩種分類中的細節理論進行展開介紹，如Maximum Stress ply failure theory (2D/3D)，Maximum Strain ply failure theory (2D/3D)，Hill ply failure theory (2D/3D) ，Hofmann ply failure theory (2D/3D)等。另外，NX還可以進行用戶自定義失效準則，利用C，C++或Fortran等通過DLLs實現。
Lesson_8_Laminate_Failure_Analysis.pdf
展開 Abaqus復合材料螺栓接頭的失效分析
螺栓接頭是由碳纖維增強聚合物材料(CFRP)制成的兩個平板組成，兩個板具有相同的8層布局（對稱），并且使用堆疊的連續殼單元建模。層失效是通過Hashin失效準則作為損傷初始和斷裂能量作為損傷演化的建模。
幾何
三個Part實例，其中兩個為150x25x3.8 mm 的CFRP平板，一個為M14的Steel螺栓。如下圖所示，螺栓直徑比平板孔直徑小0.5mm。
圖1 : 復合板（左）和螺栓（右）
材料
鋼螺栓：楊氏模量210e3 MPa，泊松比0.3，密度7850e-12 ton/mm3
復合板：由多個與負載方向和板長度方向不同的多個單向（UD）層構成，詳細的CFRP復材參數如下圖。
圖2 : CFRP 材料建模 (彈性屬性, Hashin準則初始, 斷裂能量演化)
損傷失效建模，對 Abaqus 的 CFRP 復合損傷進行建模，需要綜合兩個建模方面對材料退化：失效萌生Failure initiation和失效演化failure evolution。依賴于第一層失效標準（first ply failure criteria），針對層失效用戶可以評估復合結構為FAIL/PASS。此評估是最保守的評估，其根據第一層失效準則，依賴于純后處理生成的失效包絡，這些標準不允許材料退化或單元刪除。
展開 干貨 | 永磁電機關鍵技術分析：材料、損耗、失效、驅控......
另一方面，高溫環境下永磁電機材料的特性變化規律復雜，在溫度范圍近 300℃時，硅鋼片的特性變化明顯，電磁線導電特性變化近3 倍，釤鈷永磁材料特性變化30% ，流體黏度特性變化可能達到10 倍以上，絕緣材料的導電特性與介電強度特性發生變化。
耐高溫永磁電機常采用釤鈷永磁材料，釤鈷Sm2Co17永磁材料工作溫度高達350℃。
當工作溫度更高時，考慮采用鋁鎳鈷材料，其最高使用溫度可達520℃，溫度系數為－0. 2% /℃，但其矯頑力低，通常小于160kA /m，在磁路設計時必須校核其去磁工作點。
目前已研制出的新型稀土永磁材料，如釹鐵氮、釤鐵氮等，其磁粉的最大磁能積可達 40MGOe，接近釹鐵硼磁粉的 3 倍，而原材料成本是釹鐵硼磁粉的1 /3，但尚處于實驗室研制階段。
硅鋼片的磁化曲線和損耗特性曲線對電機的損耗計算、過載能力計算等非常關鍵; 硅鋼片疊片膠粘劑的熱穩定性對電機在高溫、高速運轉下的安全和穩定性有著直接的影響。
展開 LS-DYNA定義材料失效在碰撞分析中的應用
LS-DYNA作為一款優秀的多物理場有限元分析軟件，可以被用來解決固體力學、熱力學以及流體力學等問題。這些問題既可以是單獨的物理現象，也可以是也可以由幾種物理現象耦合而成，例如熱應力分析或者流固耦合分析。LS-DYNA中有的材料類型有失效準則的定義，如Johnson_Cook模型和Plastic_Kinematic模型。本例主要進行采用定義材料失效進行結果對比分析。
計算對象
鋼制金屬件1以2.9m/s的速度在重力方向上沖擊鋁制外殼2。
本例中采用如下設置：
單位制：mm-kN-ms-GPa
*MAT_001or MAT_ELASTIC：各向同性的彈性材料。一般只需要設定密度、彈性模量和泊松比。（設置鋼制件材料為MAT_ELASTIC）
*MAT_003 or MAT_PLASTIC_KINEMATIC：各向同性的彈塑性材料。除了MAT_001中定義的材料屬性，還需要定義SIGY（屈服應力）和ETAN（切向彈性模量）。理想狀態下ETAN為0，即塑性階段變形增加但是應力不變。(本案例碰撞分析考慮彈塑性變形，設置鋼制件材料為MAT_ELASTIC）。
查閱幫助文檔，該類材料的主要需要定義密度、楊氏模量、泊松比、屈服強度、切變模量、侵蝕單元有效塑性應變（該參數為本案例的關鍵參數）
調整侵蝕單元有效塑性應變進行對比
*SECTION_SOLID（實體截面）
這個關鍵字下定義的是實體截面屬性。如果定義sid = 1，那么對應的部件都是由八結點六面體的常應力單元構成。實體單元。
展開 
機械設計中的材料失效 分析、預測、預防
機械設計中的材料失效 分析、預測、預防
作者:(美)柯林斯(Collins,J.A.)著 談嘉禎等譯 頁數:683
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我的讀書秀和超星發現這本書的，但我沒有權限看到全書。
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高分子材料失效分析不知道怎么做？這里有答案
高分子材料按來源分為天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子是存在于動物、植物及生物體內的高分子物質，可分為天然纖維、天然樹脂、天然橡膠、動物膠等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡膠和合成纖維三大合成材料，此外還包括膠黏劑、涂料以及各種功能性高分子材料。合成高分子材料具有天然高分子材料所沒有的或較為優越的性能：較小的密度、較高的力學、耐磨性、耐腐蝕性、電絕緣性等。
高分子材料技術總的發展趨勢是高性能化、高功能化、復合化、智能化和綠色化。因為技術的全新要求和產品的高要求化，而需要通過失效分析手段查找其失效的根本原因及機理，來提高產品質量、工藝改進及責任仲裁等方面。
高分子材料失效的模式有斷裂、開裂、分層、腐蝕、起泡、涂層脫落、變色、磨損失效等。
失效分析對產品的生產和使用都具有重要的意義，失效可能發生在產品壽命周期的各個階段，涉及產品的研發設計、來料檢驗、加工組裝、測試篩選、客戶端使用等各個環節。國高材分析測試中心可依據GB、ISO、ASTM等測試標準，通過顯微紅外測試儀、掃描電鏡、氣質聯用儀等設備，獲取試樣的斷面形貌、斷面含量等數據。通過對試驗失效數據進行分享，確認失效模式、分析失效機理，明確失效原因，最終給出預防及材料改進解決方案，可用于電子電器、汽車、家電、玩具、食品及其他行業。
展開 一組圖看懂材料失效分析（轉自直觀學機械）
當機械零件喪失它應有的功能后，則稱該零件失效。
造成失效的原因有很多，如斷裂、變形、表面磨損等。正確的失效分析是解決零件失效、提高承載能力的基本環節。失效規律及機理是材料強度研究的基礎，從材料角度研究失效原因，進而找到防止失效的有效途徑。
基于Abaqus/Explicit的復合材料漸進損傷失效模型及VUMAT子程序講解分析（含詳細視頻教程）
(4) 單元測試，包括纖維拉伸和基體拉伸；如何調試子程序；對結果進行分析，包括應力，應變，初始損傷系數，損傷演化中的損傷系數，等效位移等等。
(5) 單軸拉伸模型的建立與結果分析，與abaqus自帶的二維hashin和漸進損傷對比。
(6) 模型的改進與結果分析，最終單軸拉伸的剛度誤差為-0.35%，最大應力誤差為-0.38%，失效應變誤差為-0.34%。
??資料配備：
課程提供CAE文件，inp文件，VUMAT子程序源代碼，pdf學習筆記（58頁）
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復合材料漸進損傷失效VUMAT子程序詳解
https://www.yqgqt.org.cn/video/c246386
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