材料損傷的案例
Abaqus 考慮材料隨機性的復合材料漸進損傷分析
Abaqus 考慮材料隨機性的復合材料漸進損傷分析
由于制造工藝、外部環境等的影響，材料的隨機分布是個普遍存在的現象。目前針對復合材料的分析中，絕大部分并未考慮材料隨機性對仿真結果的影響。鑒于此，本文通過Umat子程序將材料隨機性引入復合材料的漸進損傷分析中，對比了不同的隨機分布對仿真結果的影響。
本文的仿真對象為一種短切纖維復合材料(芳綸紙)，主要從宏觀的角度研究了短纖維取向隨機性對計算結果的影響。
材料的隨機性一般可以認為服從正態分布或者weibull分布。正態分布可以通過Box-Muller算法實現。Box-Muller算法是通過服從均勻分布的隨機變量，來構建服從正態分布隨機變量的一種方法。具體實現方法為：選取兩個服從
[0,1]
上均勻分布的隨機變
量
U
1
、
U
2
，
X
、
Y
滿足
則
X
與
Y
服從均值為0，方差為
1
的正態分布。
通過上述算法，可以在Fortran中生成纖維取向在[0,90]之間服從正態分布的隨機數，以下為部分代碼
Fortran中生成服從Weibull分布隨機數的方法可以參照文獻[1]。http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1205134中同樣采用了文獻[1]中的方法生成了服從Weibull分布的隨機數。
復合材料的損傷萌生準則和損傷演化準則可以參考http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1206124。與之不同的是由于芳綸紙厚度很小，本文中只考慮了材料的面內損傷行為。
展開 『分享』層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究(數值分析).
層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究(數值分析).
層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究(數值分析).pdf
層合復合材料沖擊損傷破壞過程研究宏觀(破壞準則).pdf
復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
1 引言
貫穿碳纖維增強復合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關的材料（包括纖維和樹脂）研究，結構設計的重點還是工藝制造和維護問題，碳纖維復合材料一進入解決輕量化需求的高端應用，遇到的技術關鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應用的發展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個試圖把碳纖維用于高端應用——在1967年開始研制飛機發動機進氣風扇葉片的吃螃蟹者，當然失敗的原因很多，但很重要的一個原因是復合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗，致使英國在碳纖維復合材料發展中失去了先機，退出了領先的地位。1970年代初國際石油危機爆發，民用飛機的機體結構輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關注。為解決新材料應用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經試用考核后，對這些擾流板進行了檢查，發現碳纖維復合材料部件出現了金屬結構沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結構）。自此復合材料沖擊損傷就成了復合材料技術中的核心問題之一。
2 復合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強度研究和應用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結構引起的，當時關注的外來物主要是地面和空中飛行時的冰雹和跑道碎石，都是在結構受載時受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強度，采用的設備是由壓縮空氣系統裝置對受壓縮載荷的復合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復合材料試樣的壓縮應變（由壓縮載荷控制），試驗結果是沖擊能量~壓縮破壞應變曲線。
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 
復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
1 引言
貫穿碳纖維增強復合材料研究最引人注目的是其沖擊損傷問題，無論是相關的材料（包括纖維和樹脂）研究，結構設計的重點還是工藝制造和維護問題，碳纖維復合材料一進入解決輕量化需求的高端應用，遇到的技術關鍵就是沖擊損傷，本文試圖還原復合材料沖擊損傷問題的來龍去脈。
回顧碳纖維應用的發展史，大家都知道英國羅羅公司是第一個試圖把碳纖維用于高端應用——在1967年開始研制飛機發動機進氣風扇葉片的吃螃蟹者，當然失敗的原因很多，但很重要的一個原因是復合材料葉片沒有通過外來物沖擊的考驗，致使英國在碳纖維復合材料發展中失去了先機，退出了領先的地位。1970年代初國際石油危機爆發，民用飛機的機體結構輕量化被提上了日程，碳纖維作為首選再一次受到了關注。為解決新材料應用中首先遇到的信心（安全性）問題，波音公司研制了100多付擾流板在波音707上試用，1975年經試用考核后，對這些擾流板進行了檢查，發現碳纖維復合材料部件出現了金屬結構沒有遇到的新問題——濕熱引起的材料性能下降和沖擊損傷（擾流板是薄蒙皮夾層結構）。自此復合材料沖擊損傷就成了復合材料技術中的核心問題之一。
2 復合材料沖擊損傷研究歷程
2.1 壓縮下沖擊強度研究和應用
由于最初沖擊損傷問題是由擾流板這類薄蒙皮夾層結構引起的，當時關注的外來物主要是地面和空中飛行時的冰雹和跑道碎石，都是在結構受載時受到的外來物沖擊，因此美國NASA在1970年代和1980年代初期主要研究壓縮下沖擊強度，采用的設備是由壓縮裝置對受壓縮載荷的復合材料試樣射出鋁丸（模擬密度相近的跑道碎石和冰雹），變量是鋁丸的速度（有壓縮空氣壓力控制）和復合材料試樣的壓縮應變（由壓縮載荷控制），試驗結果是沖擊能量~壓縮破壞應變曲線。
展開 abaqus材料損傷資料分享
abaqus材料損傷資料分享
基于Abaqus的vumat進行纖維增強復合材料漸進損傷與失效仿真
筆名：復材失效仿真
關鍵詞：纖維增強復合材料，航空航天，漸近損傷模型，有限元仿真，沖擊
復合材料結構漸進損傷研究
復合材料因其輕質高強廣泛應用于航空航天、交通運輸等領域。當復合材料具備復雜結構（如連接結構）或承受復雜工況（如沖擊載荷）時，層內損傷的模式包括多種損傷模式纖維/基體脫粘、基體開裂和纖維斷裂，從而引起復合材料結構漸進失效。為了模擬這些現象，漸進損傷模型（PDM）在過去二十年中常被使用并已被證明是一種有效的方法。PDM通過材料退化建模模擬損傷開始后的材料性能衰減，為預測復合材料的準脆性破壞過程提供了一個準確的框架。PDM軟化規律的形式由材料裂縫萌生和擴展背后的物理機制決定，并影響初始損傷后的結構承載能力。
連接結構是復合材料應用的薄弱環節，其失效涉及復雜損傷機制。對于復合材料螺栓連接結構，開發三維漸進損傷模型模擬多搭接結構的失效，預測的基體失效、分層擴展失效模式可以與實驗對應。對于復合材料膠接結構，基于損傷演化模型研究了單搭接螺栓復合材料過盈配合接頭的承載行為，數值模型很好地捕捉了復材膠接平面微觀形態中的纖維斷裂和基體裂紋，表明漸進損傷模型在應用中具有較好精確性。
復合材料在服役過程中有可能經受外物沖擊而產生可見或不可見損傷。利用漸進損傷模型對復合材料層合板的沖擊損傷傳播過程進行模擬，可以發現在整個加載過程中，不同損傷模式在層間的非均勻傳播特征。基于漸進損傷模型建立層合板的損傷確定、逐步演化和本構關系等損傷分析過程，能夠精準預測復合材料受單次或多次的沖擊行為。
建立漸進損傷本構模型
建立纖維增強復合材料三維有限元模型，采用實體單元和內聚力cohesive單元分布模擬復合材料層內和層間損傷。
展開 考慮纖維隨機取向的復合材料漸進損傷分析在abaqus中umat子程序的實現
由于制造工藝、外部環境等的影響，材料的隨機分布是個普遍存在的現象。目前針對復合材料的分析中，絕大部分并未考慮材料隨機性對仿真結果的影響。鑒于此，本文通過Umat子程序將材料隨機性引入復合材料的漸進損傷分析中，對比了不同的隨機分布對仿真結果的影響。
本文的仿真對象為一種短切纖維復合材料(芳綸紙)，主要從宏觀的角度研究了短纖維取向隨機性對計算結果的影響。
材料的隨機性一般可以認為服從正態分布或者weibull分布。正態分布可以通過Box-Muller算法實現。Box-Muller算法是通過服從均勻分布的隨機變量，來構建服從正態分布隨機變量的一種方法。具體實現方法為：選取兩個服從
[0,1]
上均勻分布的隨機變
量
U
1
、
U
2
，
X
、
Y
滿足
則
X
與
Y
服從均值為0，方差為
1
的正態分布。
通過上述算法，可以在Fortran中生成纖維取向在[0,90]之間服從正態分布的隨機數，以下為部分代碼
Fortran中生成服從Weibull分布隨機數的方法可以參照文獻[1]。
復合材料的損傷萌生準則和損傷演化準則可以參考https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1260993。與之不同的是由于芳綸紙厚度很小，本文中只考慮了材料的面內損傷行為。
展開 平紋復合材料VUMAT子程序本構介紹（hashin準則及線性損傷演化方法）
單向復合材料在層內只有一個方向的纖維，然而對于平紋復合材料在層內具有經向和緯向兩個方向交織的纖維束。因此在建立均質化模型時，平紋復合材料的剛度矩陣，損傷起始準則，損傷演化方法以及退化的剛度矩陣與單向復合材料具有明顯的差異。主要體現為平紋復合材料在面內的兩個方向均有纖維，因為對于平紋復合材料的失效模式主要有：經向拉伸/壓縮損傷，緯向拉伸/壓縮損傷以及厚度方向上的拉伸/壓縮損傷,此外還可以通過在層間插入cohesive單元考慮層間分層失效。接下來主要介紹層內的損傷本構關系。
1. 平紋復合材料損傷剛度矩陣
（1）
（2）
（3）
其中，d代表損傷系數，L、T以及Z代表三個垂直的方向，t、c代表拉伸，壓縮損傷，例如dlt代表縱向拉伸損傷。
2. 損傷起始準則（hashin準則）
(4)
其中，f1t,f1c代表縱向纖維拉伸和壓縮損傷，f2t,f2c代表橫向纖維拉伸和壓縮損傷，f3代表厚度方向上的失效，其中應變大于0時為拉伸失效，小于0時為壓縮失效。
3. 損傷后損傷演化模型（線性退化模型）
（5）
當滿足損傷起始準則后，損傷演化開始起作用。
展開 典型民機復合材料損傷分析
蜂窩結構是一種夾層結構或夾層復合材料，其夾芯層是由一系列六邊形、四邊形及其他形狀的孔格組成形似蜂窩夾心材料，上下兩表面層是與夾芯層接的薄板。 復合材料失效、服役缺陷及損傷復合材料的失效復合材料和復合材料結構在經歷了某些物理、化學過程后發生了尺寸、形狀和性能的變化從而喪失了原來具有的設計功能的現象稱為復合材料的失效。引發這些過程的作用 可能是外載荷、材料老化、環境溫度和濕度變化等。大多數失效問題主要集中于用作承力結構件的纖維增強復合材料，特別是纖維增強層壓復合材料。失效的四種基本模式是基體開裂、纖維斷裂、界面脫粘和分層。 服役中發生的缺陷及損傷沖擊損傷。沖擊損傷是復合材料由于外界沖擊而產生的損傷。對聚合物基結構復合材料安全構成最大威脅的是沖擊損傷。芯材脫粘。夾層復合材料是一種層合型復合材料。夾層復合材料一般由性質不同的表面材料和芯材組合而成，通常表面材料強度高而薄，芯材強度低、重量輕而厚。芯材破碎。芯材結構在服役期間，可能會因為受過大的彎曲、壓縮或沖擊等導致芯材破壞，并往往伴隨著界面剝離，這被稱為芯材破碎。基體開裂。基體是復合材料中粘接增強體成為整體并轉遞載荷到增強體的主要組分之一。在復合材料中，基體一般為連續相的材料。受力不均等原因會導致基體開裂現象。纖維斷裂。纖維斷裂是指復合材料的單個或者多個纖維斷裂。產生纖維斷裂的原因，可能是復合材料的纖維增強層受力不均或外在環境的影響，也可能是纖維自身存在著缺陷。可以確定纖維自身的缺陷是復合材料損壞的發源地。老化。老化是指復合材料生產成型后隨著時間的推移，材料的結構和性能發生退化的現象。產生老化的原因一般有大氣暴曬、倉庫存放、人工氣候老化、熱老化、水浸泡及水腐蝕等。（來源：《航空計算技術》）（南京航空航天大學 張偉）
大理石表面涂層樹脂https://www.hongyantu.com/index.php?
展開 LS-DYNA 復合材料層合板每層應力輸出方法和損傷云圖顯示！ ￥60
一個多層的shell 在球狀物體的沖擊下，共定義20層，現在想輸出：
（1）20層每層上的應力
（2）復合材料損傷云圖
基本的準備工作
（1）定義復合材料層合板（K文件中采用*Part_composite進行
*Part_composite
（2）在*DATABASE_EXTENT_BINARY選項中要設定 MAXINT=20 用來存儲20層的應力等變量
（3）查看損傷 歷史變量有如下6個變量，如果要輸出損傷變量NEIPS=6
提取某單元厚度方向應力的方法：
其實只是顯示方法的問題，采用如下方法就可以輸出全部20個層的數據
history----》int pt--->選中單元——》plot
損傷云圖用var6進行標定，如下圖所示
本案例的k文件 以及查看損傷云圖的方法見付費文檔
展開 
基于LS-DYNA的復合材料分層損傷仿真
1 引言
近年來，纖維增強復合材料因具有一系列優點而廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等各行各業之中。然而作為多相材料，其失效條件及模式往往很難確定。以復合材料層合板為例，這類結構層間性能取決于基體性能，因此層間材料性能很低，僅為纖維方向的幾十分之一。在外載荷或其它如沖擊、溫度等外部因素作用下，往往會由于層間剪應力或層間拉應力超過其強度而引起層間脫粘破壞，即分層。分層是制約這類復合材料進一步廣泛應用的主要因素，因此層合復合材料分層問題得到材料和力學界的重視。為探究ANSYS LS-DYNA在復合材料界面分層損傷方面的應用，本文利用LS-PrePost建立了雙懸臂梁（Double Cantilever Beam，DCB）模型，以cohesive單元模擬界面，進行了復合材料分層損傷的仿真分析。
2 有限元分析
幾何模型如下圖所示，通過在上、下兩個懸臂梁之間的中面層布置Cohesive內聚力單元，從而對分層擴展進行預測，本模型設置層間單元厚度為0.05；將層合板左端固支（固定全部自由度），在另一自由端施加兩個沿厚度方向且方向相反、大小相等的速度位移。為建立預制裂紋，創建有限元模型后將該處單元進行提前刪除。
a/mm
h/mm
b/mm
w/mm
v/(mm/ms)
200
10.05
50
15
1
為方便施加邊界條件，首先建立相關的節點集合，包括模型固支端的節點集合，自由端上下表面線段上的節點集合。根據不同模型的不同部位賦予單元不同的材料屬性。
展開 復合材料有限元分析中如何計算損傷包絡面積？（附工具） ￥500
復合材料因其組份的多樣性和各向異性，導致其構件設計制造階段和服役使用階段極易產生缺陷或損傷。在復合材料制作和固化過程中往往存在很多人為因素和工藝質量的不穩定性，這使得復合材料構件的質量具有一定的隨機性。另外，在使用過程中，復合材料對沖擊損傷非常敏感，如鳥撞、跑道砂石撞擊、工具掉落等都有可能造成復合材料損傷。這些缺陷和損傷往往在材料表面毫無目視可見的痕跡，而在材料內部卻出現纖維斷裂、分層、脫粘等缺陷和損傷，大大降低了構件的承載能力。
為了及時準確地發現和檢測出材料內部的缺陷和損傷，為進一步評價材料、結構的可靠性奠定基礎，就需要引入無損檢測。目前，針對復合材料常用的無損檢測方法主要有目視法、超聲波法、X射線法、光學法、微波法和聲發射法等。
對于做有限元分析的人來講，在預測結構損傷時，需要將計算所得的損傷包絡及損傷包絡面積與無損檢測結果進行對比。那么，如何在有限元分析結果中獲得準確的損傷包絡及包絡面積呢？筆者曾經用過最笨的方法是一個單元一個單元去數的，數來數去就暈了，今天就介紹以下Abaqus中的操作方法和工具。
一.
展開 ABAQUS-纖維強化復合材料的損傷演化和網格移動
ABAQUS-纖維強化復合材料的損傷演化和網格移動.doc
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）
Gmc (N/mm)
1.1
在abaqus中，輸入的材料參數如下圖：
圖2 abaqus中的材料參數輸入
為了驗證模型的準確性，進行單元測試，沿著纖維方向拉伸，材料方向如下：
圖3 材料方向
邊界條件如下：
圖4 邊界條件
最后計算獲得的應力應變曲線和損傷參數曲線如下圖，通過應力應變曲線可以看出：當應變為0.0166661，應力為2511.21MPa時，發生初始損傷。
