ABAQUS中的損傷模型

1、本周主要是研究了ABAQUS中自帶的損傷模型。關(guān)于彈塑性力學(xué)的內(nèi)容，感覺(jué)再看下去會(huì)跑偏，故先回歸損傷力學(xué)。主要閱讀ABAQUS用戶幫助手冊(cè)及一些用ABAQUS建立損傷模型的相關(guān)文古、獻(xiàn)。1 AbaqusAnalysisUser'sManual2 嬰幼兒搖椅金屬底座的破裂分析.2010AbaqusTaiwanUsersConference.3 曹明,ABAQUS損傷塑性模型損傷因子計(jì)算方法研究.4 FailureModelingofTitanium6Al-4VandAluminum2024-T3WiththeJohnson-CookMaterialModel另外，在AbaqusExamp

2、leProblemsManual中有考慮損傷的模擬薄板鋁材在準(zhǔn)靜態(tài)荷載和動(dòng)力荷載下的累進(jìn)失效分析的操作范例，還沒(méi)來(lái)得及看。ABAQUS中包括延性金屬損傷、服從Traction-Separation法則的損傷、纖維增強(qiáng)復(fù)合物的損傷、彈性體損傷。實(shí)際上對(duì)于混凝土還有塑性損傷模型，東南大學(xué)的曹明3對(duì)該模型有詳盡描述。在此僅討論金屬損傷模型。對(duì)于損傷的主菜單，定義的是損傷的萌發(fā)模型，子選項(xiàng)為損傷的演化。先來(lái)談?wù)創(chuàng)p傷的萌發(fā)模型。1、損傷萌發(fā)模型延性金屬損傷包括柔性損傷、ohnson-Cook損傷、剪切損傷、FLD損傷、FLSD損傷、M-K損傷、MSFLD損傷。服從Traction-Separation法

3、則的損傷是針對(duì)CohesiveElement（黏著單元），應(yīng)該不適合厚鋼板結(jié)構(gòu)，不予考慮。纖維增強(qiáng)復(fù)合物損傷不考慮。彈性體損傷針對(duì)于類似橡膠類物質(zhì)，不考慮。對(duì)于延性金屬損傷，剪切損傷模型用于預(yù)測(cè)剪切帶局部化引起的損傷，F(xiàn)LD、FLSD、MSFLD、M-K損傷都是用于預(yù)測(cè)金屬薄片成型引起的損傷，故現(xiàn)在只剩柔性損傷和損傷符合厚鋼板結(jié)構(gòu)的損傷研究。柔性損傷和Johnson-Cook損傷都是一類模型，預(yù)測(cè)由于延性金屬內(nèi)部空隙成核、成長(zhǎng)、集結(jié)引起的損傷萌生。模型假定損傷萌生時(shí)的等效塑性應(yīng)變是三軸應(yīng)力和應(yīng)變率的函數(shù)。該延性準(zhǔn)則由MISES、Johnson-Cook、Hill、Drucker-Prager塑

4、性模型整合得到。柔性損傷需輸入的參數(shù)是斷裂應(yīng)變（損傷發(fā)生時(shí)的等效斷裂應(yīng)變）（Equivalentfracturestrainatdamageinitiation）、應(yīng)力三軸度（n，其中p是壓應(yīng)力（pressurestress，也可譯為靜水壓應(yīng)力），q是MISES等效應(yīng)力）、應(yīng)變率（等效塑性應(yīng)變率g）。三者關(guān)系是，在不同的三軸應(yīng)力和應(yīng)變率下，損傷萌生的斷裂應(yīng)變是不同的。三者是以表格的形式輸入的，表現(xiàn)了材料的一種性能。所以應(yīng)用該模型的前提是材料性能已知或已經(jīng)假定，有點(diǎn)類似ABAQUS中對(duì)塑性材料的定義。損傷需要輸入五個(gè)失效參數(shù)D1-D5、熔點(diǎn)0、轉(zhuǎn)變溫度0、參考應(yīng)變率£。五個(gè)失效參數(shù)是由

5、實(shí)驗(yàn)獲得的材料參數(shù),不容易獲得。在文后會(huì)附錄該模型的表達(dá)式。當(dāng)小于等于轉(zhuǎn)變溫度0時(shí)，損傷應(yīng)變斯表達(dá)式不依賴于溫度。材料參數(shù)必須在轉(zhuǎn)變溫度之下測(cè)量。2、損傷演化在ABAQUS中的損傷演化菜單屬于損傷模型的子選項(xiàng)，且對(duì)于不同的模型，其菜單項(xiàng)變化不大，對(duì)于柔性損傷和Johnson-Cook損傷，子選項(xiàng)都是一樣的。損傷演化的類型分為位移和能量，分別從破壞時(shí)的位移和斷裂能的角度求損傷的演化。個(gè)人見(jiàn)解，對(duì)于位移求損傷變量，其應(yīng)該采用類似脆塑性模型的方法（見(jiàn)損傷力學(xué)2.5）。對(duì)于能量方法，通過(guò)斷裂所需的能量求出損傷變量，有點(diǎn)類似損傷力學(xué)2.2的方法。不過(guò)，具體采用什么模型，無(wú)從得知。ABAQUS中的損傷演化

6、是從損傷萌生開(kāi)始算起的，表現(xiàn)為材料剛度的降低。默認(rèn)損傷萌生之前損傷因子為0，材料斷裂時(shí)損傷因子為1?？偨Y(jié)ABAQUS中的損傷模型，都是損傷萌發(fā)的預(yù)測(cè)模型，由于課題研究是將殘余應(yīng)力描述為一種初始損傷，即損傷變量一開(kāi)始就不為0，故采用ABAQUS損傷模型的意義不大。其次，參數(shù)的輸入還依賴于實(shí)驗(yàn)得到的各種參數(shù)，不易獲取。Johnson-Cook模型對(duì)損傷演化的考慮較細(xì)致，但是有五個(gè)失效參數(shù)需從實(shí)驗(yàn)獲??；柔性損傷模型且ABAQUS中的損傷演化過(guò)于簡(jiǎn)單、籠統(tǒng)，考慮的因素較少，如沈祖炎的模型中還考慮了最大塑性應(yīng)變及權(quán)值仔等（當(dāng)然，沈祖炎模型是針對(duì)低周循環(huán)荷載而言的）。在用戶幫助手冊(cè)中也提到了考慮低周循環(huán)荷

7、載的損傷萌生和演化，還未看，不過(guò)其采用的各種模型仍屬于上述類型。故考慮使用用戶子程序UMAT編寫(xiě)材料本構(gòu)關(guān)系，模擬損傷。附Johnson-Cook損傷模型4Johnson-Cook模型中的失效累積（failureaccumulation也可能是損傷累積）并不直接使屈服面退化，定義失效時(shí)的應(yīng)變?yōu)椋篺ailureDDexpD/*InsfT*第一個(gè)括號(hào)表示斷裂應(yīng)變隨著靜水應(yīng)力張量的增加而減小，第二個(gè)括號(hào)表示增加的應(yīng)變率對(duì)失效應(yīng)變的影響效應(yīng)，第三個(gè)括號(hào)表示材料延性的熱軟化效應(yīng)式中，D1-D5是材料系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)獲得。/*是靜水壓應(yīng)力與等效應(yīng)力的比值（應(yīng)與柔性模型中的應(yīng)力三軸度一樣）presureo*z等

8、效應(yīng)力定義為2°無(wú)量綱應(yīng)變率s*是有效塑性應(yīng)變率與參考應(yīng)變率（通常取1.0）的比值s*無(wú)量綱溫度T*T-TroomT,meltTroomT是當(dāng)前溫度，Troom是環(huán)境溫度，Tmelt是熔點(diǎn)。在絕熱環(huán)境下，假定所有的內(nèi)部塑性作用都轉(zhuǎn)變成了溫度的變化，如下：OspCVq是比熱容。有效塑性應(yīng)變定O是有效應(yīng)力，si是有效塑性應(yīng)變，p是密度,義如下：有效塑性應(yīng)變?cè)隽坑伤苄詰?yīng)變張量的增量決定：dsp-dsdsijijJohnson-Cook模型中，當(dāng)損傷因子D達(dá)到1.0，就發(fā)生斷裂。D的演化由等效塑性應(yīng)變?cè)隽砍援?dāng)前失效應(yīng)變的求和得到：failure延性準(zhǔn)則是用于預(yù)測(cè)由于孔隙成核、生長(zhǎng)、集結(jié)引起的損傷萌發(fā)的唯象模型。模型假設(shè)損傷發(fā)生時(shí)的等效塑性應(yīng)變晉是應(yīng)力三軸比和應(yīng)變率的函數(shù):Sfq，飛pT應(yīng)力