塑性斷裂仿真的案例
ABAQUS中泰森多邊形Voronoi和有限離散元FDEM結合的晶體斷裂仿真
《ABAQUS中泰森多邊形Voronoi和有限離散元FDEM結合的晶體斷裂仿真》
作者：星辰北極星
這個專題是依托于POLARIS_Voronoi插件制作的一套仿真案例視頻，講述Voronoi多邊形結合FDEM在晶體仿真中的一些應用；FDEM是FEM和DEM的一個組合縮寫，也就是“有限離散元方法”，結合了有限元和離散元的特征，在ABAQUS中主要通過大量嵌入Cohesive單元來實現，這一方法目前廣泛應用于巖石、玻璃、陶瓷等脆性材料的破碎仿真。
【課程內容】
第1章：課程概述
第2章：POLARIS插件
2.1 POLARIS_Voronoi插件介紹
2.2 POLARIS_InsertCohElem插件介紹
第3章：ABAQUS-Standard隱式分析案例
3.1 基于Cohesive單元的彈塑性斷裂仿真基礎
3.2 平面二維晶體試件的彈塑性拉伸斷裂仿真（二維多邊形）
第4章：ABAQUS-Explicit顯式分析案例
4.1 晶體試件的切削仿真（三維多棱柱）
4.2 圓柱多晶體試件的壓縮破碎仿真（三維多面體）
【案例：晶體拉伸斷裂仿真】
本例采用ABAQUS/Standard隱式計算方法，模型為平面二維多邊形，Voronoi控制點的分布是非均勻的，兩邊密，中間稀疏，類似于金屬材料經過表面處理后的晶粒細化，這種模型需要人為指定晶體控制點位置才能實現；此外，模型中的實體單元采用彈塑性材料的，因此是一種基于Cohesive方法的彈塑性斷裂分析的案例（本案例已經添加到Cohesive專題中）。
【案例：晶體切削仿真】
本例采用ABAQUS/Explicit顯式動力學分析方法。
展開 Abaqus中最簡單的塑性斷裂模型
之前材料壓潰斷裂一直用Ls-dyna計算的，但考慮Abaqus利用Python參數化建模的優越性，所以采用Abaqus分析材料的壓潰斷裂。對標Ls-dyna的雙線性塑性材料模型MAT-24，考慮失效應變這一個斷裂指標。
材料參數：這里選擇Abaqus中最常用的金屬斷裂模型——Ductile Damage（延性損傷），材料參數如下：
材料參數模型（熱膨脹可忽略）
其中關于損傷失效的參數為
*Damage Initiation, criterion=DUCTILE ****
0.1, 0.3333, 0.
損傷開始，需要指定損傷應變，應力三軸度，應變率
*Damage Evolution, type=DISPLACEMENT
0.0,
損傷演化，需要指定演化路徑，比如這里指定位移為零
參考USim大佬公眾號給的應力三軸度圖表，這里簡單地取0.3333。
分析步：為了計算效率，這里采用顯式分析，時間為1e-4
顯示分析步
模型：采用一個正方體C3D8R單元，背面的三個面施加對稱約束，+Z面給定一個幅值為1的位移載荷。
長寬高均為1的正方體
結果：提取該單元的應變和Mises應力，給了不同的損傷起始應變和損傷演化斷裂位移，最后的結果如下圖
很明顯，損傷開始的起裂應變（Fracture Strain）就是材料損傷開始的等效塑性應變，而損傷演化中的位移類型中指定的失效位移（Displacement at Failure）就是從損傷開始到材料完全失效斷裂的位移值。
展開 二維三維彈塑性斷裂相場------uel子程序 ￥69.9
包含二維三維彈塑性斷裂相場程序，原始代碼，以及對應的程序公式，job文件，計算收斂性較好，運算穩定，可使用二維的三角形，四邊形單元，以及三維四面體，六面體單元的程序計算案例的結果：
二維：
二維斷裂相場分布：
三維斷裂相場模型：
黃永剛晶體塑性模型耦合相場方法模擬多晶斷裂
模擬包含200個晶粒的多晶模型，使用平面應變簡化，拉伸變形30%，模擬拉伸過程中裂紋的產生和發展，其中斷裂總能量包含彈性變形能和塑性耗散功兩部分，模擬結果如下
初始多晶模型：
網格劃分（CPE4網格）：
相場分布（0：材料完好，1：材料完全失效）：
退化程度分布：
歐拉角（phi）分布：
可以看到耦合相場的晶體塑性模型具有潛在的預測裂紋萌生和發展的能力，其準確程度取決于斷裂能參數的選擇，與更精細的實驗對比，如原位的ebsd拉伸將成為良好的校核手段。這可能成為介觀尺度下斷裂力學的應用提供良好的參考
塑性斷裂和損傷（Damage）——對技術鄰例子的感悟 ￥10
（言歸正傳，看了一下：一個圓形桿的拉伸塑性破壞的例子賣了好百次，而作者對其解釋為參考例子而已。我沒有買，但從其做的簡陋而言，棄之無憾。其對科學的態度，更令我惡心！沒有對科研的追求，請不要誤人子弟。沒有對其個人的批判，而是對這種態度的鄙視！在此，提出我的觀點和做法,歡迎討論，不接受一般批評，除了來自幺妹的。）最近做斷裂，可以說做的很憋屈，為什么？不會基礎理論，理論與實際如何結合，遇到問題了如何解決，參數如何確定，等等這些困擾，給了我打擊，但是也給我了思考。很喜歡 國外的 introduction的書，更符合人的天性和認識事物的規律。我不是西方舔狗，但是我真對某些國人無語。尊重是相互的！講一下 學習損傷的經歷: 首先 ，看了一下如何處理塑性斷裂——一般而言很困難——主要有兩種方法：一種將裂紋看成不連續的（塑性XFEM） 一種是將含裂紋的物體看成是連續的，只是裂紋區域承載能力的 退化。無論是一種方法處理，都不容易。 兩者方法我都不是非常精通，但是學習了一段時間，希望給初學者 一個正確的路牌。學習損傷你是需要學習基礎理論的，但是你學習了，估計很難看懂abaqus幫助文檔的例子。為什么？因為第一：你需要將abaqus里面的參數與書中的對應，第二：你需要的參數是你很難獲得的。還有就是abaqus核心代碼你不知道，它如何處理你需要深入了解。如果你理論基礎好些可以看看 《Continuum Damage Mechanics》 如果剛入門可以看看 《 Continuum Damage and Fracture Mechanics》。光說不練，不太好。我們沿著例子走一下：一個圓棒的單軸拉伸 YouTube上有個例子。首先顯式和隱式 都計算了一下。網格粗糙是可以斷裂而網格細化了 ——不斷裂，問題來了？為什么，一個原因是你粗網格是不準確的，那個單元計算的值達到了準則，就損傷了。
展開 基于塑性材料的金屬冷成型仿真
--- 理解塑性 ￥5
冷軋是一種在低于再結晶溫度（通常為室溫）的溫度下，通過輥子對金屬板材進行進給以壓縮其厚度的工藝。
本模擬演示了鋁材的冷軋過程。
本案例對彈性和塑料材料進行了對比模擬。
Ls-Dyna塑性材料沖擊破碎仿真評估 附ls-dyna中常用彈塑性材料卡片的設置方法及要點下載
一、模型構建
本文采用殼體網格進行仿真，為節約計算量，下方墻體設置為單一單元，上方沖擊板與墻體呈45°。
準靜態力學的斷裂失效仿真 ￥100
對于結構件受拉壓彎扭后發生的斷裂失效，如果采用靜力學分析方法，會得到應力分布，但無論外力多大都無法觀察到斷裂效果。雖然采用動力學分析方法可以實現斷裂效果，但時間步長較小而求解時間長導致求解效率低。所以提出一種基于準靜態力學的斷裂失效的仿真方法。
裂紋模擬斷裂仿真軟件
ALOF (Analysis Laboratory of Failure)軟件由University of Iowa、University of Glasgow與National University of Singapore的三位研究人員通力合作研發。主要目標就是為用戶提供一個對含缺陷構件方便準確進行模擬計算的平臺，以評估含裂紋等缺陷金屬構件的安全性與可靠性。ALOF的分析精度已為大量的實驗和學術論文所證明。
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，評估裂紋構件的安全與可靠性。建立分析模型時可不預設裂紋形狀，裂紋擴展過程更無需人工干預；為提高分析精度，用戶可在裂紋附近進行高效的分層加密。
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可以根據分析結果生成失效或破壞過程的動畫，提供用戶所需要的失效分析報告。
下面是采用該軟件對一個門式起重機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實現
門式起重機主梁的角焊縫是最容易出現裂紋擴展的區域之一，我們以此部位為例介紹ALOF確定漏檢設備檢修周期的過程。
圖1.門式起重機示意圖
圖2.門式起重機主梁參數化建模對話框與參數化模型
通過對該設備進行現場儀器探測和主梁模型的有限元分析，發現在某角焊縫處存在最大拉應力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。對該角焊接局部區域建立有限元模型，并定義初始裂紋，進行檢修周期的計算
展開 基于Cohesive方法的斷裂仿真
專題內容
基于Cohesive方法的斷裂仿真專題共分五章內容，分別是：
3.1 專題簡介
3.2 Cohesvie相關PPT講解：Cohesive單元&Cohesive接觸
3.3 Cohesive方法相關的版本更新
3.4 Cohesive嵌入方法和POLARIS_InsertCohElem插件
3.5.1 示例1：雙懸臂梁撕裂模擬（三個模型）
3.5.2 示例2：Cohesive接觸在貨物運輸中的應用
3.5.3 實例3：基于Cohesive單元的二維水力壓裂模擬
3.5.4 實例4：撞擊破壞模擬（全局嵌入零厚度Cohesive單元）
各版本更新
課程中簡要介紹了ABAQUS各軟件版本升級過程中，Cohesive方法相關的更新內容：
ABAQUS6.10、 ABAQUS6.11 、 ABAQUS6.13 ：無更新
ABAQUS6.12：顯示分析中，基于牽引力分離的cohesive單元支持粘彈性材料模型Viscoelastic
ABAQUS6.14：牽引力分離準則中的拉壓剛度可以不一致；混合斷裂模式增加 MMIXDMI、 MMIXDME的輸出
ABAQUS2016：新增孔壓單元、流體裂縫分支、干摩擦等功能；GUI中增加嵌入Cohesive孔壓單元的網格編輯工具
ABAQUS2017：Cohesive接觸行為可以在隱式通用接觸中定義了。
POLARIS_InsertCohElem插件
功能概述：用于實體單元之間嵌入Cohesive單元功能，可實現復雜多裂縫的研究。拓展軟件原有功能，可實現全局、局部的零厚度或有厚度Coehsive單元的嵌入。
展開 疲勞斷裂過程的仿真軟件ALOF
ALOF系統─專業的工程結構斷裂失效仿真軟件
ALOF，英文名全稱為Analyses Laboratory of Fracture，是一個面向斷裂失效過程的仿真實驗室；它以斷裂力學為基礎，對含缺陷構件進行模擬分析，為失效分析專家提供科學數據和判斷。ALOF采用目前世界上最先進的裂紋擴展計算技術(擴展有限元法XFEM和虛節點多邊形有限元法VNM)，由數位具有機械工程和計算力學專業背景的海內外博士、教授團隊歷時四年開發而成。ALOF的總體技術與性能達到國內領先、國際先進水平。ALOF的應用領域涵蓋核工業、航空宇航、國防軍工、能源動力、化工機械、船舶海洋以及土木結構等。
在三維復雜工程結構斷裂失效仿真分析時，ALOF具有四個顯著特色：
⑴ 更簡單─“一鍵式”建模過程：ALOF具有一鍵式導入完整CAD模型與一鍵式生成疏密合理的2D和3D裂紋擴展計算網格，可以多種形式導入裂紋數據，并擁有人性化的GUI界面。這些技術大大簡化了裂紋擴展的建模過程，降低了失效分析人員對數值模擬分析的理論門檻。
⑵ 更精準─全自動裂尖區分層加密：ALOF可自動追蹤裂尖并自動分層加密其局部區域網格，從而使精準的裂紋擴展仿真分析成為可能。ALOF除了具有在裂尖布置疏密合理的三角形、四面體等單元外，還可以生成和使用高精度的四邊形和六面體等單元，專業為個人PC機用戶定制仿真計算方案。⑶ 更專業─豐富的失效準則庫：ALOF使用的兩個關鍵技術可為多樣用戶提供K、J、COD、擴展角等斷裂力學參量，還提供給定裂紋長度下的結構壽命指標；同時，ALOF支持用戶二次開發，以設計自己的失效判據。
⑷ 更高效─全自動的裂紋擴展計算：ALOF采用了修正的擴展有限元技術，才真正可以高效模擬任意2D和3D工程結構中的非平面裂紋及其擴展過程。
展開 
【CAE案例】基于結構仿真的斷裂力學分析
01 應用背景
斷裂力學是研究含裂紋物體的強度和裂紋擴展規律的科學，固體力學的一個分支，又稱裂紋力學，起源于20世紀20年代A.A.格里菲斯對玻璃低應力脆斷的研究。其后，國際上發生了一系列重大的低應力脆斷災難性事故，促進了這方面的研究，并于50年代開始形成斷裂力學。根據所研究的裂紋尖端附近材料塑性區的大小，可分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學；根據所研究的引起材料斷裂的載荷性質，可分為斷裂（靜）力學和斷裂動力學。
斷裂力學的任務是：求得各類材料的斷裂韌度；確定物體在給定外力作用下是否發生斷裂，即建立斷裂準則；研究載荷作用過程中裂紋擴展規律；研究在腐蝕環境和應力同時作用下物體的斷裂（即應力腐蝕）問題。
在斷裂力學出現以前，根據生產知識的積累，人們曾總結出一些材料的韌性指標，如冷脆轉變溫度、沖擊能量等。它們都是一些定性的經驗參量，只能在一定條件下用于評定材料，而不能用于設計。在美國的G.R.歐文等人的努力下，逐步建立起線彈性斷裂力學并進而發展出彈塑性斷裂力學，提出了一些描述裂紋擴展的參量，如應力強度因子、J積分、裂紋張開位移（COD）等。將它們和傳統的強度理論結合起來，可以設計出更安全和更經濟的工程結構。因此，在航天、核電工程等領域，斷裂力學的應用越來越廣泛。
另一方面，由于裂紋頂端的一個很小的區域對于裂紋擴展規律有重要影響，裂紋擴展同材料的—些微觀特性，特別是冶金性質（如晶粒大小、二相粒子、位錯等）關系極大，這就要求斷裂力學在研究中把材料工藝學、冶金學、金屬物理學等方面的成果同力學結合起來。隨著斷裂力學的發展，微觀裂紋也已進入研究范圍。在研究裂紋擴展規律時，也開始涉及裂紋產生的原因。
在對金屬部件進行缺陷評估的時候，我們大致可以分為兩類。
展開 復合材料疊層結構的拉伸斷裂仿真 ￥800
本案例基于COMSOL軟件中的固體力學模塊的損傷模型模擬了一復合疊層結構在受到兩端拉伸作用下的拉伸變形過程以及斷裂帶生成過程，模擬結果如圖所示：
感興趣的朋友，歡迎合作交流！
帶孔洞板的裂紋擴展及斷裂仿真
本篇案例采用相場損傷模型模擬了帶孔洞板的裂紋擴展及斷裂過程，模擬結果如下：
感興趣的朋友可加我交流模型。Q：172497934，群1:743937736，群2：858277810。
力學仿真 | 塑性材料卡片仿真準確性提升方法分享
材料卡片是指包含了模擬仿真所需的所有材料性能數據的集成文件，可直接導入汽車研發時應用的仿真軟件進行使用。獲取可靠的材料卡信息能顯著提高仿真結果的準確性。
國高材分析測試中心具備成熟的高分子材料材料卡片制作技術經驗，可依照標準材料卡片制作流程，進行樣品制備和相關性能測試，如在高低速應變率下，結合非接觸式數字圖像相關（DIC）測量方法，精準獲取在拉伸、剪切及壓縮等試驗下的高分子材料參數，并依照常用的商業仿真軟件格式來整合材料特性參數，保證這些材料特性參數可順利應用于各類仿真軟件，為仿真結果的準確性保駕護航。
國高材分析測試中心制作材料卡片涉及的材料特性參數與設備。
1 單軸拉伸試驗
在碰撞仿真模擬當中，不同應變速率下的應力應變曲線至關重要。通過準靜態拉伸試驗可以獲得屈服強度、斷裂伸長率、彈性模量等關鍵參數。
泊松比是高分子材料的彈性常數，也被稱為橫向變形系數。在材料進入彈塑性變形階段后，泊松比不再被視為常量，而是與應變相關的函數。為了獲得泊松比隨塑性應變曲線，需要將DIC輸出的曲線與力學試驗機輸出的處理后的真實應力-真實塑性應變曲線相結合。這樣可以得到準靜態拉伸過程中泊松比隨塑性應變曲線。
通過簡單的準靜態拉伸試驗，可以觀察到在不同應變速率下，高分子材料在屈服強度、彈性模量等參數上存在明顯的差異。在高速變形情況下，這種差異將進一步放大。這是由于在材料的彈性階段，除了分子內部鍵長和鍵角的變化外，還會發生其他次級轉變運動，這些運動也會對彈性模量產生影響。隨著應變率的增加，次級運動受到的約束越大，彈性模量也越大。
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