結(jié)構力學仿真軟件：ABAQUS：ABAQUS中損傷與斷裂力學分析

結(jié)構力學仿真軟件：ABAQUS：ABAQUS中損傷與斷裂力學分析1緒論1.1ABAQUS軟件簡介ABAQUS是一款廣泛應用于工程領域的高級有限元分析軟件，由DassaultSystèmes公司開發(fā)。它能夠處理復雜的非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和接觸非線性。ABAQUS在結(jié)構力學、熱力學、流體力學、電磁學等多個領域都有出色的表現(xiàn)，尤其在損傷與斷裂力學分析中，提供了豐富的工具和方法。1.2損傷與斷裂力學基礎理論損傷與斷裂力學是研究材料在載荷作用下產(chǎn)生損傷直至斷裂的學科。它基于連續(xù)介質(zhì)力學和斷裂力學理論，通過分析材料內(nèi)部的微損傷演化過程，預測材料的宏觀損傷行為和斷裂點。損傷通常定義為材料微觀結(jié)構的不可逆變化，而斷裂則是損傷積累到一定程度，導致材料結(jié)構的宏觀破壞。1.2.1損傷模型ABAQUS中常用的損傷模型包括：-等效塑性應變損傷模型：基于材料的等效塑性應變來預測損傷，適用于塑性材料。-最大應力損傷模型：基于材料的最大應力來預測損傷，適用于脆性材料。-最大應變損傷模型：基于材料的最大應變來預測損傷，適用于各種材料。1.2.2斷裂準則ABAQUS提供了多種斷裂準則，如：-最大切應力理論：材料在最大切應力作用下發(fā)生斷裂。-斷裂韌性理論：通過材料的斷裂韌性來判斷材料是否發(fā)生斷裂。-J積分理論：用于評估裂紋尖端的能量釋放率，判斷裂紋是否擴展。1.3ABAQUS中損傷與斷裂分析的應用領域ABAQUS在損傷與斷裂力學分析中的應用非常廣泛，包括但不限于：-航空航天：分析飛機結(jié)構在極端條件下的損傷和斷裂行為。-汽車工業(yè)：評估汽車碰撞時的結(jié)構安全，預測材料損傷。-土木工程：研究地震對建筑物的影響，分析混凝土和鋼材的損傷與斷裂。-材料科學：探索新材料的損傷機制，優(yōu)化材料性能。1.3.1示例：ABAQUS中使用Python進行損傷分析在ABAQUS中，可以使用Python腳本來控制分析流程，設置損傷模型參數(shù)。以下是一個簡單的Python腳本示例，用于設置等效塑性應變損傷模型：#設置損傷模型

importsection

importregionToolset

importmaterial

importhomogeneous

#創(chuàng)建材料

myMaterial=mdb.models['Model-1'].materials['Steel']

#設置損傷模型

myMaterial.DamageInitiation(table=((0.002,),))

myMaterial.DamageEvolution(type=ENERGY,table=((1.0,),))

#創(chuàng)建截面

mySection=mdb.models['Model-1'].HomogeneousSolidSection(name='SteelSection',material='Steel',thickness=None)

#將截面應用于模型的特定區(qū)域

myRegion=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].Set(name='Set-Steel')

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].SectionAssignment(region=myRegion,sectionName='SteelSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)1.3.2解釋上述腳本首先導入了ABAQUS的Python模塊，然后創(chuàng)建了一個名為Steel的材料，并設置了等效塑性應變損傷模型的初始化和演化參數(shù)。接著，創(chuàng)建了一個截面SteelSection，并將其應用于模型中名為Part-1的部件的Set-Steel區(qū)域。通過這種方式，可以精確控制ABAQUS中的損傷分析，為復雜結(jié)構的損傷與斷裂預測提供強大的工具。2ABAQUS基本操作2.1軟件界面介紹在啟動ABAQUS/CAE后，用戶將面對一個直觀的圖形用戶界面(GUI)，主要由以下幾個部分組成：菜單欄：位于界面頂部，提供文件、編輯、視圖、分析、工具等菜單選項。工具欄：包含常用的快捷按鈕，如新建、打開、保存、運行分析等。模型樹：顯示當前模型的結(jié)構，包括部件、裝配、材料、載荷、邊界條件等。圖形窗口：用于顯示和操作模型的三維視圖。消息窗口：顯示操作反饋、錯誤信息和分析結(jié)果摘要。屬性模塊：用于編輯所選對象的屬性，如材料屬性、網(wǎng)格設置等。2.2前處理：建立模型2.2.1步驟1：創(chuàng)建部件在ABAQUS中，模型構建始于創(chuàng)建部件。部件可以是簡單的幾何體，如立方體、圓柱體，也可以是復雜的CAD模型。示例代碼#創(chuàng)建一個立方體部件

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

frompartimport*

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

session.partDisplay.geometryOptions.setValues(referenceRepresentation=False)

#創(chuàng)建一個新部件

myPart=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

myPart.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,100.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Cube',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Cube']

p.BaseSolidExtrude(sketch=myPart,depth=100.0)

delmdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']2.2.2步驟2：裝配部件一旦部件創(chuàng)建完成，下一步是將其裝配到模型中，定義部件之間的相互關系。示例代碼#裝配部件

fromassemblyimport*

a=mdb.models['Model-1'].rootAssembly

a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)

a.Instance(name='Cube-1',part=p,dependent=ON)2.3網(wǎng)格劃分與材料屬性設置2.3.1步驟1：網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是將連續(xù)體離散化為有限數(shù)量的單元，以便進行數(shù)值分析。示例代碼#網(wǎng)格劃分

frommeshimport*

elemType1=mesh.ElemType(elemCode=C3D8R,elemLibrary=STANDARD)

elemType2=mesh.ElemType(elemCode=C3D6,elemLibrary=STANDARD)

elemType3=mesh.ElemType(elemCode=C3D10,elemLibrary=STANDARD)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Cube']

p.seedPart(size=10.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

p.generateMesh()2.3.2步驟2：設置材料屬性材料屬性的定義對于準確模擬結(jié)構行為至關重要。示例代碼#設置材料屬性

frommaterialimport*

mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200000.0,0.3),))

mdb.models['Model-1'].HomogeneousSolidSection(name='SteelSection',material='Steel',thickness=None)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Cube']

f=p.faces

faces=f.getSequenceFromMask(mask=('[#1]',),)

region=p.Set(faces=faces,name='Set-Steel')

p.SectionAssignment(region=region,sectionName='SteelSection',offset=0.0,offsetType=MIDDLE_SURFACE,offsetField='',thicknessAssignment=FROM_SECTION)以上代碼示例展示了如何在ABAQUS中創(chuàng)建一個立方體部件，將其裝配到模型中，進行網(wǎng)格劃分，并設置材料屬性。通過這些步驟，用戶可以為后續(xù)的損傷與斷裂力學分析準備一個基本的模型。注意，實際操作中可能需要根據(jù)具體問題調(diào)整參數(shù)和設置。3損傷分析3.1損傷模型的選擇與定義在ABAQUS中進行損傷分析時，選擇合適的損傷模型至關重要。損傷模型描述了材料在受到應力作用下，其內(nèi)部結(jié)構如何逐漸破壞，直至最終斷裂。ABAQUS提供了多種損傷模型，包括但不限于：基于能量的損傷模型：如CohesiveZoneModel(CZM)，它通過定義一個損傷本構關系，來模擬材料的粘結(jié)界面或弱界面的損傷過程?；趹Φ膿p傷模型：如Johnson-Cook損傷模型，適用于高溫和高速加載條件下的材料損傷分析?；趹兊膿p傷模型：如Hashin損傷準則，常用于復合材料的損傷分析。3.1.1示例：定義CohesiveZoneModel#定義CohesiveZoneModel

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

mdb.models['Model-1'].CohesiveBehavior(name='Cohesive_Damage',

damageInitiationType=ENERGY,

damageEvolutionType=DISPLACEMENT,

energy0=1.0,

displacementD0=0.001,

displacementDf=0.01)上述代碼定義了一個基于能量和位移的CohesiveZoneModel。energy0參數(shù)定義了損傷開始時的能量閾值，displacementD0和displacementDf分別定義了損傷開始和完全損傷時的位移閾值。3.2損傷變量的解釋與應用損傷變量是衡量材料損傷程度的關鍵指標。在ABAQUS中，損傷變量通常表示為D，其值范圍從0到1，其中0表示材料未損傷，1表示材料完全損傷。損傷變量可以用于控制材料的剛度退化，從而模擬材料的損傷過程。3.2.1示例：損傷變量的應用#應用損傷變量

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#創(chuàng)建損傷變量場

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].Set(name='Damage_Set',

internalSets=('Element_Set',))

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].ElementDamage(name='Damage_Field',

createStepName='Step-1',

region=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].sets['Damage_Set'])

#查看損傷變量

odb=session.openOdb(name='Job-1.odb')

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=odb)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(DEFORMATION,))

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setFrame(step=0,frame=1)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.displayGroupInstances(plotState=(HIDDEN,))

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.fieldSymbolicConstant=ODB_FIELD

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourType=DIRECT)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.contourOptions.setValues(numIntervals=20)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='D',

outputPosition=INTEGRATION_POINT,

refinement=(SMOOTH,))這段代碼首先創(chuàng)建了一個損傷變量場Damage_Field，并將其應用于名為Damage_Set的內(nèi)部集。然后，通過打開ODB文件，設置視圖以顯示損傷變量D的分布，從而可視化損傷過程。3.3ABAQUS中損傷分析的設置步驟在ABAQUS中進行損傷分析，需要遵循以下步驟：定義材料屬性：包括彈性模量、泊松比、密度、損傷模型等。創(chuàng)建模型：包括幾何、網(wǎng)格、邊界條件和載荷。定義損傷變量：根據(jù)所選損傷模型，定義損傷變量。設置分析步：定義損傷分析的開始和結(jié)束條件。運行分析：提交作業(yè)，進行損傷分析。后處理：查看損傷變量的分布，分析損傷過程。3.3.1示例：設置損傷分析步驟#設置損傷分析步驟

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#創(chuàng)建分析步

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Damage_Analysis',

previous='Initial',

description='Damageanalysisstep',

nlgeom=ON)

#應用損傷模型

mdb.models['Model-1'].materials['Material-1'].CohesiveBehavior(

name='Cohesive_Damage',

damageInitiationType=ENERGY,

damageEvolutionType=DISPLACEMENT,

energy0=1.0,

displacementD0=0.001,

displacementDf=0.01)

#設置損傷分析的輸出

mdb.models['Model-1'].fieldOutputRequests['F-Output-1'].setValues(variables=('S','E','D'))首先，創(chuàng)建一個名為Damage_Analysis的靜態(tài)分析步，設置非線性幾何選項為ON，以考慮幾何非線性對損傷過程的影響。然后，定義材料Material-1的CohesiveDamage模型，設置損傷開始和完全損傷的條件。最后，設置場輸出請求，確保在分析過程中輸出應力S、應變E和損傷變量D，以便于后處理分析。通過以上步驟和示例，可以有效地在ABAQUS中進行損傷分析，理解材料在不同載荷條件下的損傷行為，為結(jié)構設計和優(yōu)化提供重要信息。4ABAQUS中損傷與斷裂力學分析4.1斷裂力學分析4.1.1裂紋建模與初始化在ABAQUS中進行斷裂力學分析，首先需要準確地建模裂紋。裂紋可以是預存在的，也可以是分析過程中動態(tài)生成的。裂紋的建模通常包括以下步驟：定義裂紋位置：使用Part模塊中的Geometry選項，可以通過創(chuàng)建實體或表面來定義裂紋的位置。例如，創(chuàng)建一個平面作為裂紋面。裂紋初始化：在Step模塊中，使用Crack命令來初始化裂紋。這包括定義裂紋的擴展方向、裂紋尖端位置以及裂紋的初始尺寸。裂紋路徑：對于動態(tài)裂紋擴展，需要定義裂紋的路徑。這可以通過Path命令來實現(xiàn)，或者在后處理中根據(jù)應力強度因子（SIF）或能量釋放率（GIF）來確定。示例代碼#創(chuàng)建裂紋面

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

f=p.faces

faces=f.findAt(((100.0,100.0,0.0),))

region=p.Set(faces=faces,name='Crack_Surface')

#初始化裂紋

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].Crack(name='Crack-1',

surface='Crack_Surface',

crackTip='Crack_Tip',

crackNormal=(0.0,1.0,0.0))

#定義裂紋尖端位置

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

v,e,d1,d2=p.vertices,p.edges,p.datums,pDatumCsyses

p.Set(vertices=v.findAt(((100.0,100.0,0.0),)),name='Crack_Tip')4.1.2斷裂準則與GIF計算斷裂準則用于判斷裂紋是否開始擴展或繼續(xù)擴展。在ABAQUS中，常用的斷裂準則包括能量釋放率（GIF）和J積分。GIF是裂紋擴展所需的能量，而J積分是裂紋尖端的能量流密度因子。GIF計算GIF計算通常在Step模塊中進行，通過定義OutputRequests來輸出裂紋尖端的能量釋放率。這需要在裂紋尖端附近定義一個虛擬裂紋閉合技術（VCCT）的輸出區(qū)域。示例代碼#定義輸出請求，計算GIF

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].OutputRequest(name='GIF_Output',

createStepName='Step-1',

frequency=1,

region=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].sets['Crack_Tip'],

sectionPoints=DEFAULT,

rebar=EXCLUDE,

energyReleaseRate=ON)4.1.3ABAQUS中J積分與CTOD的使用J積分和裂紋尖端開口位移（CTOD）是評估裂紋尖端附近應力和應變狀態(tài)的重要工具。J積分提供了一個裂紋尖端的能量流密度因子，而CTOD則直接反映了裂紋尖端的開口程度。J積分J積分的計算需要在裂紋尖端附近定義一個積分路徑。ABAQUS提供了自動積分路徑的選項，也可以手動定義積分路徑。示例代碼#定義J積分路徑

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

e=p.edges

edges=e.findAt(((100.0,100.0,0.0),))

region=p.Set(edges=edges,name='J_Integral_Path')

#計算J積分

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].JIntegral(name='J_Integral_Output',

createStepName='Step-1',

frequency=1,

region=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].sets['J_Integral_Path'],

sectionPoints=DEFAULT,

rebar=EXCLUDE)CTODCTOD的計算通常在裂紋尖端的節(jié)點上進行，通過輸出裂紋尖端的位移來間接計算CTOD。示例代碼#定義CTOD輸出節(jié)點

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

n=p.nodes

nodes=n.findAt(((100.0,100.0,0.0),))

region=p.Set(nodes=nodes,name='CTOD_Output_Node')

#計算CTOD

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].OutputRequest(name='CTOD_Output',

createStepName='Step-1',

frequency=1,

region=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].sets['CTOD_Output_Node'],

sectionPoints=DEFAULT,

rebar=EXCLUDE,

displacement=ON)在ABAQUS中，損傷與斷裂力學分析是一個復雜但強大的功能，通過上述步驟，可以有效地模擬裂紋的形成、擴展以及裂紋尖端的應力和應變狀態(tài)。這些分析對于理解材料的斷裂行為、設計更安全的結(jié)構以及預測結(jié)構的壽命至關重要。5后處理與結(jié)果解釋5.1結(jié)果文件的讀取與可視化在ABAQUS中，后處理是分析過程中的關鍵步驟，它幫助我們理解模型的響應并驗證分析的準確性。ABAQUS使用.odb文件來存儲輸出數(shù)據(jù)，這個文件包含了所有分析步的結(jié)果，如位移、應力、應變和損傷變量等。5.1.1讀取結(jié)果文件要讀取ABAQUS的.odb文件，可以使用Python腳本結(jié)合abaqus模塊。下面是一個示例腳本，展示如何讀取一個.odb文件：fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimportopenOdb

#打開ODB文件

odb=openOdb(name='example.odb')

#獲取模型實例

instance=odb.rootAssembly.instances['PART-1-1']

#獲取最后一個分析步的應力數(shù)據(jù)

lastStep=odb.steps.keys()[-1]

stressField=odb.steps[lastStep].frames[-1].fieldOutputs['S']

#打印應力數(shù)據(jù)的最小值和最大值

print("MinStress:",stressField.values[0].data)

print("MaxStress:",max([value.dataforvalueinstressField.values]))

#關閉ODB文件

odb.close()5.1.2可視化結(jié)果可視化結(jié)果是后處理的另一個重要方面，它可以幫助我們直觀地理解模型的應力分布、位移情況等。ABAQUS提供了強大的可視化工具，但也可以使用Python的第三方庫如matplotlib或mayavi進行自定義可視化。下面是一個使用matplotlib進行簡單可視化的示例：importmatplotlib.pyplotasplt

importnumpyasnp

#假設我們從ABAQUS中提取了應力數(shù)據(jù)

stressValues=np.random.rand(100)

#創(chuàng)建直方圖

plt.hist(stressValues,bins=20,color='blue',alpha=0.7)

plt.title('StressDistribution')

plt.xlabel('Stress')

plt.ylabel('Frequency')

plt.show()5.2損傷與斷裂分析結(jié)果的解讀損傷與斷裂分析在ABAQUS中通常涉及材料的非線性行為，特別是當材料達到其破壞極限時。ABAQUS提供了多種損傷模型，如Johnson-Cook模型、CohesiveZone模型等，用于預測材料的損傷和斷裂行為。5.2.1損傷變量損傷變量（damagevariable）是ABAQUS中用于描述材料損傷程度的一個關鍵參數(shù)。它通常在0到1之間變化，其中0表示材料未損傷，1表示材料完全損傷。下面是如何從.odb文件中讀取損傷變量的示例：fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimportopenOdb

#打開ODB文件

odb=openOdb(name='example.odb')

#獲取損傷變量

lastStep=odb.steps.keys()[-1]

damageField=odb.steps[lastStep].frames[-1].fieldOutputs['DMG']

#打印損傷變量的最小值和最大值

print("MinDamage:",min([value.dataforvalueindamageField.values]))

print("MaxDamage:",max([value.dataforvalueindamageField.values]))

#關閉ODB文件

odb.close()5.2.2斷裂分析斷裂分析通常關注于裂紋的擴展和材料的最終斷裂。ABAQUS提供了多種斷裂準則，如J積分、斷裂能釋放率（G）等，用于評估裂紋的穩(wěn)定性。下面是一個如何在ABAQUS中使用J積分評估裂紋擴展的示例：fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimportopenOdb

#打開ODB文件

odb=openOdb(name='example.odb')

#獲取J積分數(shù)據(jù)

lastStep=odb.steps.keys()[-1]

jIntegral=odb.steps[lastStep].historyRegions['AssemblyS1'].historyOutputs['J']

#打印J積分的最后一個值

print("JIntegral:",jIntegral.data[-1][1])

#關閉ODB文件

odb.close()5.3ABAQUS后處理技巧5.3.1使用Python腳本自動化后處理ABAQUS的Python腳本能力可以極大地提高后處理的效率。例如，可以編寫腳本來自動提取多個分析步的結(jié)果，進行數(shù)據(jù)處理和可視化，而無需手動操作。5.3.2數(shù)據(jù)過濾與處理在后處理中，可能需要對提取的數(shù)據(jù)進行過濾或處理，以去除噪聲或提取特定區(qū)域的信息。使用Python的numpy和pandas庫可以方便地進行數(shù)據(jù)處理。importnumpyasnp

importpandasaspd

#假設我們從ABAQUS中提取了應力數(shù)據(jù)

stressValues=np.random.rand(100)

#使用pandas進行數(shù)據(jù)處理

df=pd.DataFrame(stressValues,columns=['Stress'])

filteredData=df[df['Stress']>0.5]

#打印過濾后的數(shù)據(jù)

print(filteredData)5.3.3結(jié)果的比較與分析在進行多個分析或參數(shù)研究時，比較不同條件下的結(jié)果是必要的?？梢允褂肞ython腳本來讀取多個.odb文件，提取相同的數(shù)據(jù)集，然后進行比較和分析。fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimportopenOdb

#定義一個函數(shù)來讀取并處理ODB文件

defreadOdbData(odbName):

odb=openOdb(name=odbName)

lastStep=odb.steps.keys()[-1]

stressField=odb.steps[lastStep].frames[-1].fieldOutputs['S']

odb.close()

return[value.dataforvalueinstressField.values]

#讀取兩個不同的ODB文件

stressData1=readOdbData('example1.odb')

stressData2=readOdbData('example2.odb')

#比較兩個數(shù)據(jù)集

ifnp.mean(stressData1)>np.mean(stressData2):

print("Example1hashigheraveragestress.")

else:

print("Example2hashigheraveragestress.")通過上述示例，我們可以看到如何在ABAQUS中進行有效的后處理，包括讀取和可視化結(jié)果，以及使用Python進行數(shù)據(jù)處理和分析。這些技巧對于深入理解模型的力學行為和優(yōu)化設計至關重要。6案例研究6.1簡單損傷分析案例在ABAQUS中進行損傷分析，我們首先需要理解損傷模型的基本概念。損傷模型用于描述材料在受到應力作用下逐漸退化的過程，直至最終斷裂。ABAQUS提供了多種損傷模型，包括但不限于等效塑性應變損傷模型、最大拉應力損傷模型等。6.1.1案例描述假設我們有一個簡單的金屬板件，尺寸為100mmx100mmx1mm，材料為鋁。我們想要分析在拉伸載荷作用下，金屬板件的損傷發(fā)展情況。6.1.2操作步驟創(chuàng)建模型：在ABAQUS/CAE中，首先創(chuàng)建一個平面應變模型，定義幾何尺寸和材料屬性。定義損傷模型：選擇等效塑性應變損傷模型，設置損傷閾值。施加載荷和邊界條件：在模型的一端施加固定約束，在另一端施加逐漸增加的拉伸載荷。網(wǎng)格劃分：對模型進行網(wǎng)格劃分，確保損傷區(qū)域有足夠的網(wǎng)格密度。運行分析：設置分析步，運行損傷分析。結(jié)果后處理：在ABAQUS/CAE中查看損傷發(fā)展情況，分析損傷分布和損傷程度。6.1.3代碼示例#ABAQUS損傷分析示例代碼

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,engineeringFeatures=ON)

session.Viewport(name='Viewport:1',origin=(0.0,0.0),width=128.0,height=92.0)

session.viewports['Viewport:1'].makeCurrent()

session.viewports['Viewport:1'].maximize()

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=OFF,engineeringFeatures=OFF)

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.geometryOptions.setValues(

referenceRepresentation=OFF,mesh=OFF)

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,engineeringFeatures=ON)

a=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.setPrimaryObject(option=STANDALONE)

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,100.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=PLANE_STRESS,type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseShell(sketch=a)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=p)

delmdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']

#定義材料屬性和損傷模型

mdb.models['Model-1'].Material(name='Aluminum')

mdb.models['Model-1'].materials['Aluminum'].Density(table=((2.7e-9,),))

mdb.models['Model-1'].materials['Aluminum'].Elastic(table=((70.0e3,0.3),))

mdb.models['Model-1'].materials['Aluminum'].DamageInitiation(name='Damage_Init',

criterion=MAX_PS,

definition=ENERGY,

damageThreshold=10.0)

#施加載荷和邊界條件

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].Set(name='Set-1',edges=p.edges.findAt(((100.0,50.0,0.0),),))

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].Set(name='Set-2',edges=p.edges.findAt(((0.0,50.0,0.0),),))

mdb.models['Model-1'].loads['Load-1'].setValues(magnitude=100.0)

mdb.models['Model-1'].boundaryConditions['BC-1'].setValues(magnitude=0.0)

#網(wǎng)格劃分

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.seedPart(size=1.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

#運行分析

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',

maxNumInc=1000,initialInc=0.1,minInc=1e-05,nlgeom=ON)

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(stabilizationMethod=DAMPING_FACTOR,

stabilizationMagnitude=0.05)

mdb.models['Model-1'].Job(name='Job-1',model='Model-1',description='',type=ANALYSIS,

atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,

memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,

explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,

modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF,userSubroutine='',

scratch='',resultsFormat=ODB,parallelizationMethodExplicit=DOMAIN,

numDomains=1,activateLoadBalancing=False,multiprocessingMode=DEFAULT,

numCpus=1)

['Job-1'].submit(consistencyChecking=OFF)

['Job-1'].waitForCompletion()

#結(jié)果后處理

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

session.viewports['Viewport:1'].odbData=session.openOdb(name='Job-1.odb')

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=session.viewports['Viewport:1'].odbData)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(step='Step-1')

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setFrame(step=0,frame=1)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='DAMAGE',

outputPosition=INTEGRATION_POINT,refinement=(COMPONENT,'DAMAGE1'))6.1.4解釋上述代碼示例中，我們首先創(chuàng)建了一個平面應力模型，然后定義了鋁材料的屬性，并使用等效塑性應變損傷模型。接著，我們設置了載荷和邊界條件，進行了網(wǎng)格劃分，并運行了靜態(tài)分析步。最后，我們通過后處理查看了損傷變量的發(fā)展情況。6.2復雜斷裂力學分析案例6.2.1案例描述考慮一個含有預裂紋的復合材料板件，尺寸為200mmx200mmx2mm，材料為碳纖維增強塑料。我們想要分析在復合材料板件受到?jīng)_擊載荷時，裂紋的擴展路徑和斷裂行為。6.2.2操作步驟創(chuàng)建模型：在ABAQUS/CAE中創(chuàng)建一個含有預裂紋的復合材料板件模型。定義材料屬性和斷裂模型：使用復合材料損傷模型，如Hashin損傷準則。施加載荷和邊界條件：在模型的上表面施加沖擊載荷，在下表面施加固定約束。網(wǎng)格劃分：對模型進行網(wǎng)格劃分，特別是在裂紋尖端區(qū)域，需要更細的網(wǎng)格。運行分析：設置分析步，運行動態(tài)分析。結(jié)果后處理：在ABAQUS/CAE中查看裂紋擴展路徑，分析裂紋尖端的應力強度因子。6.2.3代碼示例#ABAQUS斷裂力學分析示例代碼

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=ON,engineeringFeatures=ON)

session.Viewport(name='Viewport:1',origin=(0.0,0.0),width=128.0,height=92.0)

session.viewports['Viewport:1'].makeCurrent()

session.viewports['Viewport:1'].maximize()

session.viewports['Viewport:1'].partDisplay.setValues(sectionAssignments=OFF,engineeringFeatures=OFF)

a=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=400.0)

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.setPrimaryObject(option=STANDALONE)

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(200.0,200.0))

a.Line(point1=(100.0,0.0),point2=(100.0,200.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=PLANE_STRESS,type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseShell(sketch=a)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=p)

delmdb.models['Model-1'].sketches['__profile__']

#定義材料屬性和斷裂模型

mdb.models['Model-1'].Material(name='CFRP')

mdb.models['Model-1'].materials['CFRP'].Density(table=((1.5e-9,),))

mdb.models['Model-1'].materials['CFRP'].Elastic(table=((120.0e3,0.3),))

mdb.models['Model-1'].materials['CFRP'].DamageInitiation(name='Damage_Init',

criterion=HASHIN,

definition=CRACK_ENERGY,

damageThreshold=100.0)

#施加載荷和邊界條件

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].Set(name='Set-1',faces=p.faces.findAt(((100.0,100.0,0.0),),))

mdb.models['Model-1'].parts['Part-1'].Set(name='Set-2',edges=p.edges.findAt(((100.0,0.0,0.0),),))

mdb.models['Model-1'].loads['Load-1'].setValues(magnitude=1000.0)

mdb.models['Model-1'].boundaryConditions['BC-1'].setValues(magnitude=0.0)

#網(wǎng)格劃分

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.seedPart(size=1.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

p.generateMesh()

#運行分析

mdb.models['Model-1'].ExplicitDynamicsStep(name='Step-1',previous='Initial',

timePeriod=0.01,nlgeom=ON)

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(stabilizationMethod=DAMPING_FACTOR,

stabilizationMagnitude=0.05)

mdb.models['Model-1'].Job(name='Job-1',model='Model-1',description='',type=ANALYSIS,

atTime=None,waitMinutes=0,waitHours=0,queue=None,memory=90,

memoryUnits=PERCENTAGE,getMemoryFromAnalysis=True,

explicitPrecision=SINGLE,nodalOutputPrecision=SINGLE,echoPrint=OFF,

modelPrint=OFF,contactPrint=OFF,historyPrint=OFF,userSubroutine='',

scratch='',resultsFormat=ODB,parallelizationMethodExplicit=DOMAIN,

numDomains=1,activateLoadBalancing=False,multiprocessingMode=DEFAULT,

numCpus=1)

['Job-1'].submit(consistencyChecking=OFF)

['Job-1'].waitForCompletion()

#結(jié)果后處理

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

session.viewports['Viewport:1'].odbData=session.openOdb(name='Job-1.odb')

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=session.viewports['Viewport:1'].odbData)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(step='Step-1')

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setFrame(step=0,frame=1)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='S',

outputPosition=INTEGRATION_POINT,refinement=(COMPONENT,'S11'))6.2.4解釋在本案例中，我們創(chuàng)建了一個含有預裂紋的復合材料板件模型，并使用了Hashin損傷準則來描述復合材料的斷裂行為。通過施加沖擊載荷和固定約束，我們進行了動態(tài)分析，以觀察裂紋的擴展路徑。網(wǎng)格劃分時，我們特別關注了裂紋尖端區(qū)域，以確保分析的準確性。最后，我們通過后處理查看了應力分布，以分析裂紋尖端的應力強度因子。6.3案例分析總結(jié)與討論通過上述兩個案例，我們展示了在ABAQUS中如何進行損傷和斷裂力學分析。簡單損傷分析案例展示了如何使用等效塑性應變損傷模型來分析金屬板件的損傷發(fā)展。復雜斷裂力學分析案例則展示了如何使用Hashin損傷準則來分析復合材料板件在沖擊載荷下的裂紋擴展行為。在進行損傷和斷裂分析時，選擇合適的損傷模型和網(wǎng)格劃分策略至關重要。此外，正確設置載荷和邊界條件，以及理解損傷變量和應力強度因子的物理意義，對于分析結(jié)果的解釋也非常重要。通過ABAQUS的后處理功能，我們可以直觀地觀察損傷和裂紋的發(fā)展情況，為材料和結(jié)構的設計提供有力的依據(jù)。7高級功能與技巧7.1ABAQUS中用戶自定義損傷模型在ABAQUS中，用戶自定義損傷模型允許工程師根據(jù)特定材料的特性，創(chuàng)建和實施自定義的損傷演化規(guī)則。這通常涉及到編寫用戶材料子程序（UMAT），以定義材料的本構關系和損傷行為。下面是一個使用Python編寫UMAT的示例，用于模擬一種復合材料的損傷過程。#UMATforauser-defineddamagemodelinABAQUS

defUMAT_DamageModel(D,S,EP,R,STATEV,DOLD,SOLD,EPOLD,ROLD,PROD,P):

"""

UserMaterialSubroutine(UMAT)fordamagemodeling.

Parameters:

D-Damagevariable

S-Stresstensor

EP-Plasticstraintensor

R-Residualstresstensor

STATEV-Statevariables

DOLD-Olddamagevariable

SOLD-Oldstresstensor

EPOLD-Oldplasticstraintensor

ROLD-Oldresidualstresstensor

PROD-Productionrates

P-Parameters

"""

#Definematerialparameters

E=150e3#Young'smodulus

nu=0.3#Poisson'sratio

D0=0.0#Initialdamage

Dc=0.8#Criticaldamage

Gc=1.0#Fractureenergy

#Calculateelasticstiffnessmatrix

D=np.zeros((6,6))

D[0,0]=D[1,1]=D[2,2]=E/(1-nu**2)

D[3,3]=D[4,4]=D[5,5]=E/(2*(1+nu))

D[1,2]=D[2,1]=D[0,2]=D[2,0]=D[0,1]=D[1,0]=E*nu/((1-nu)*(1-2*nu))

#Calculatedamageevolution

ifDOLD<Dc:

D=D*(1-D)

D=D0+(Gc/(2*E))*np.trace(S)**2

ifD>Dc:

D=Dc

#Updatestatevariables

STATEV[0]=D

#Ret