完整版19Abaqus累积损伤与失效解析doc.docx
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第19章累积损伤与失效
总结
本章主要讲解累积损伤与失效的概论、塑性金属材料的累积损伤与失效和纤维增强复合材料的累积损伤与失效。
其中重点内容有：
塑性金属材料损伤萌生准则，包括有：
塑性准则、Johnson-Cook准则、剪切准则、成形极限图准则、成形极限应力图准则、M-K准则和M-S成形极限图准则，其中M-K准则较难理解。
塑性金属材料的演化规律，包括有：
基于有效塑性位移的损伤演化规律和基于能量耗散理论的损伤演化规律。
塑性金属材料失效后网格中单元的移除，其中壳单元的移除较难理解。
纤维增强复合材料损伤萌生准则，包括有：
纤维拉伸断裂、纤维压缩屈曲和扭结、基体拉伸断裂和基体压缩破碎。
纤维增强复合材料损伤的演化，四种失效模式（纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体拉伸断裂失效和基体压缩破碎失效）均基于能量耗散理论，并对应不同的损伤变量，其中损伤变量的求解比较繁琐。
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第19章累积损伤与失效
19累积损伤与失效分析..............................................................................................
3
19.1
累积损伤与失效概述....................................................................................
3
19.1.1
累积损伤与失效................................................................................
3
19.2
金属塑性材料的损伤与失效.......................................................................
6
19.2.1
金属塑性材料损伤与失效概论........................................................
6
19.2.2
金属塑性材料损伤初始阶段............................................................
8
19.2.3
塑性金属材料的损伤演化与单元的移除......................................
24
19.3
纤维增强复合材料的损伤与失效.............................................................
35
19.3.1纤维增强复合材料的损伤与失效：
概论.......................................
35
19.3.2
纤维增强复合材料的损伤初始产生..............................................
38
19.3.3
损伤演化与纤维增强复合材料的单元去除..................................
41
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第19章累积损伤与失效
19累积损伤与失效分析
19.1累积损伤与失效概述
19.1.1累积损伤与失效
Abaqus提供了以下材料模型来预测累积损伤与失效：
1）塑性金属材料的累积损伤与失效：
Abaqus/Explicit拥有建立塑性金属材
料的累积损伤与失效模型的功能。
此功能可以与theMises,Johnson-Cook,Hill,
和Drucker-Prager等塑性材料本构模型一起使用（塑性材料的损伤与失效概论，
19.2.1节）。
模型中提供多个损伤萌生的参数标准，其中包括塑性准则、剪切准
则、成形极限图（FLD）、成形极限压力图（FLSD），MSFLD和M-K等标准。
根据以往的损伤规律可知，损伤开始形成后，材料的强度会越来越弱。
累积损伤模型对于材料刚度的平滑减弱是允许的，这在准静态和动态环境中都允许，这也是优于动态失效模型的有利条件（动态失效建模，18.2.8节）。
2）纤维增强材料的累积损伤与失效：
Abaqus拥有纤维增强材料的各向异性损伤的建模功能（纤维增强材料的损伤与失效概论，19.3.1节）。
假设未损伤材料为线弹性材料。
因为该材料在损伤的初始阶段没有大量的塑性变形，所以用来预测纤维增强材料的损伤行为。
Hashin标准最开始用来预测损伤的产生，而损伤演化规律基于损伤过程和线性材料软化过程中的能量耗散理论。
另外，Abaqus也提供混凝土损伤模型，动态失效模型和在粘着单元以及连接单元中进行损伤与失效建模的专业功能。
本章节给出了累积损伤与失效的概论和损伤产生与演变规律的概念简介，并且仅限于塑性金属材料和纤维增强材料的损伤模型。
损伤与失效模型的通用框架
Abaqus提供材料失效模型的通用建模框架，其中允许同一种的材料应用多
种失效机制。
材料失效就是由材料刚度的逐渐减弱而引起的材料承担载荷的能力
完全丧失。
刚度逐渐减弱的过程采用损伤力学建模。
为了更好的了解Abaqus中失效建模的功能，考虑简单拉伸测试中的典型金
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第19章累积损伤与失效
属样品的变形。
如图19.1.1-1中所示，应力应变图显示出明确的划分阶段。
材料变形的初始阶段是线弹性变形（a-b段），之后随着应变的加强，材料进入塑性屈服阶段（b-c段）。
超过c点后，材料的承载能力显著下降直到断裂（c-d段）。
最
后阶段的变形仅发生在样品变窄的区域。
C点表明材料损伤的开始，也被称为损伤开始的标准。
超过这一点之后，应力-应变曲线（c-d）由局部变形区域刚度减弱进展决定。
根据损伤力学可知，曲线c-d可以看成曲线c-d‘的衰减，曲线c-d‘是在没有损伤的情况下，材料应该遵循的应力-应变规律曲线。
图19.1.1-1金属样品典型的轴向应力-应变曲线因此，在Abaqus中失效机制的详细说明里包括四个明显的部分：
材料无损伤阶段的定义（如图19.1.1-1中曲线a-b-c-d‘）损伤开始的标准（如图19.1.1-1中c点）
损伤发展演变的规律（如图19.1.1-1中曲线c-d）
单元的选择性删除，因为一旦材料的刚度完全减退就会有单元从计算中移除（如图19.1.1-1中的d点）。
关于这几部分的内容，我们会对金属塑性材料（金属塑性材料的损伤与失效概论，19.2.1节）和纤维增强材料（纤维增强符合材料的损伤与失效概论，19.3.1
节）进行分开讨论。
网格依赖性
在连续介质力学中，通常是根据应力-应变关系建立材料本构模型。
当材料表现出导致应变局部化的应变软化行为时，有限元分析的结果带有强烈的网格依赖
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第19章累积损伤与失效
性，能量的耗散程度取决于网格的精简程度。
在Abaqus中所有可使用损伤演化模
型都使用减轻网格依赖性的公式。
这是通过在公式中引入特征长度来实现的，特
征长度作为一个应力-位移关系可以表达本构关系中软化部分，它与单元尺寸有
关系。
在此情况下，损伤过程中耗散的能量不是由每个单位体积衡量，而是由每
个单位面积衡量。
这个能量值作为另外一个材料参数，用来计算材料发生完全损
伤时的位移。
这是与材料断裂力学中临界能量释放率的概念一致的。
此公式确保
了合适能量的耗散以及最大程度减轻网格的依赖。
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第19章累积损伤与失效
19.2金属塑性材料的损伤与失效
19.2.1金属塑性材料损伤与失效概论
19.2.2金属塑性材料的初始损伤
19.2.3金属塑性材料损伤的发展规律及单元的移除
19.2.1金属塑性材料损伤与失效概论
产品：
Abaqus/ExplicitAbaqus/CAE
参考：
累积损伤与失效，19.1.1节
金属塑性材料的初始损伤，19.2.2节
金属塑性材料损伤的发展规律及单元的移除，19.2.3
DAMAGEINITIATION
DAMAGEEVOLUTION
损伤的定义，Abaqus/CAE使用手册（网络HTML译本）12.8.3节
概论
Abaqus/Explicit拥有建立金属塑性材料损伤与失效的模型的功能。
在大多
数情况下，此模型需要以下说明：
未损伤情况下材料的弹塑性响应（“典型金属塑性”,18.2.1节）
损伤初始阶段标准（“塑性金属的损伤萌生,”第19.2.2节）
损伤发展变化规律，包括单元移除的选择性（“塑性金属的损伤演化与单元
移除,”第19.2.3节）
在19.1.1节“累积损伤与失效”中已经给出了Abaqus中累积损伤与失效通用框架的概要。
本节将给出金属塑性材料的损伤初始阶段和损伤发展变化规律的概论。
另外，Abaqus/Explicit提供了适用于高应变率动力学问题的动态失效模型。
（“动态失效模型”，18.2.8节）
损伤产生的判断准则
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第19章累积损伤与失效
Abaqus/Explicit提供多种金属塑性材料产生损伤时的判断标准，每一个都
与材料失效的不同类型有关。
判断准则可以分为以下类别：
金属材料损伤破坏产生的断裂准则，包括塑性和剪切标准。
金属片的损伤破坏的颈缩失稳准则，包括用于板料成形性能评估的成形极限
图（FLD,FLSD和MSFLD）和考虑了变形历史的，用于定量预测钣金不稳定性
的Marciniak-Kuczynski（M-K）标准。
这些准则将在19.2.2节“金属塑性材料损伤破坏的产生”中介绍。
每一个损
伤破坏产生准则都有对应变化的输出来显示在分析过程中是否达到了此标准。
一
个大于或等于1.0的值表明已经达到此发生准则。
对一种给定材料可以规定不只一种损伤破坏准则。
如果对同一种材料规定多种损伤破坏准则，那么这些准则是相互独立的。
一旦达到了某个损伤产生准则，材料刚度就会按照此准则规定的损伤发展规律逐渐衰减，但是若没有规定损伤发展规律，材料刚度则不衰减。
没有规定损伤发展规律的失效机制被认为是无效的。
Abaqus/Explicit将会计算仅用于输出的无效机制中的损伤发生标准，但是此机
制对材料响应没有影响。
输入文件的使用：
使用下面选项定义每个损伤破坏产生的准则（可以重复使
用定义多个准则）
*DAMAGEINITIATION,CRITERION=criterion1
Abaqus/CAE的使用：
属性模块（Propertymodule）：
材质编辑器（material
editor）：
Mechanical→DamageforDuctileMetals→criterion
材料损伤演化规律
材料损伤演化规律描述了当达到相应的损伤破坏产生准则时材料刚度的衰
减速度。
对于金属塑性材料的损伤破坏，Abaqus/Explicit假定与每一个有效失
效机制相关的材料刚度的衰减可以用标量损伤变量di（iNact）来建模,Nact代表
一系列有效的失效机制。
在分析中的任何时刻，材料的应力张量都用标量损伤方
程式表示。
式中D为全局损伤变量，表示在没有损伤的情况下计算出的应力张量，也就是在没有损伤情况下材料内存在的应力。
当D=1时材料就失去了承受载荷的
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第19章累积损伤与失效
能力。
默认情况下，当任何一处集成位置的剖分点失去其承受载荷的能力时，一
个单元会从网格中移除。
全局损伤变量D受到所有有效机制的联合影响，并根据设置规则，依据独立
损伤变量di来计算。
Abaqus支持塑性金属材料不同损伤演化规律的模型，并提供对于因材料失
效导致的单元移除的控制，如“Damageevolutionandelementremovalfor
ductilemetals,”中19.2.3节所述。
所有可以使用的模型都旨在缓解损伤累积
过程中由于局部应力引起的计算结果的强烈网格依赖性。
输入文件的使用：
在*DAMAGEINITIATION语句后面使用以下的语句来定义
损伤演化规律：
*DAMAGEEVOLUTION
Abaqus/CAE的使用：
属性模块（Propertymodule）：
材质编辑器（materialeditor）：
Mechanical→DamageforDuctileMetals→criterion:
Suboptions
→DamageEvolution
单元
在Abaqus/Explicit中，金属塑性材料失效建模功能可以用于所有的单元，包括有平动自由度的机械行为单元。
对于温度和位移耦合单元，材料的热特性是不受材料刚度累积损伤影响的，
除非单元移除的情况出现，此时单元热学特性的影响也被删除。
金属片的损伤破坏的颈缩失稳准则（FLD、FLSD、MSFLD和M-K）只适用于有机械行为并使用平面应力计算公式（平面应力单元、壳单元、连续壳体、膜单元）的单元。
19.2.2金属塑性材料损伤初始阶段
产品：
Abaqus/ExplicitAbaqus/CAE
参考：
累积损伤与失效，19.1.1节
DAMAGEINITIATION
损伤的定义，Abaqus/CAE使用手册（网络HTML译本）12.8.3节
概论
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第19章累积损伤与失效
金属塑性材料损伤破坏萌生阶段建模功能：
用来预测金属材料损伤开始，包括冲、挤压和铸造的金属等材料。
如19.2.3节“塑性金属的损伤演化与单元移除,”中所述，与塑性金属材料的损伤演化规律模型联合使用。
允许多个损伤破坏产生准则的定义。
包括塑性准则、剪切准则、成形极限图（FLD）、成形极限压力图（FLSD），
MSFLD和M-K等损伤产生的准则。
可以与Mises和Johnson-Cook塑性本构（塑性、剪切、FLD、FLSD、MSFLD和M-K）一起使用。
可以与Hill和Drucker-Prager塑性本构（塑性、剪切、FLD、FLSD、MSFLD）
一起使用。
金属材料损伤破坏产生的断裂准则
导致金属塑性材料断裂的两个主要机制：
由节点的集中，增长与接合导致韧性断裂；由局部剪切带引起的剪切断裂。
基于现象学观测基础，这两个机制要求不同形式的损伤破坏发生准则（Hooputraetal.,2004）。
Abaqus/Explicit支持的这些准则的功能形式将在下面讨论。
如19.2.3节“塑性金属的损伤演化与单元移除,”中所述，这些准则可以与塑性金属材料的损伤演化规律模型联合使用进
行金属塑性材料断裂模型的建立。
（参照Abaqus手册中2.1.16节，例子
“Progressivefailureanalysisofthin-wallaluminumextrusionunderquasi-static
anddynamicloads。
”）
塑性准则
塑性准则是用来预测由节点的集中，增长与接合导致的损伤开始发生的现象
学模型。
模型中假定损伤开始时的等效塑性应变
Dpl是关于三维应力和应变率的
.pl
函数:
Dpl（,）
p/q是应力三轴度，p是指压应力，q是Mises等效应力，
pl
式中
D是等效
塑性应变率。
当下面的情况成立时就达到了损伤开始发生的准则：
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第19章累积损伤与失效
式中wD是随着塑性变形增加而单调递增的状态变量。
分析过程中的每一次递增，
增加量wD是按以下式子计算的：
塑性准则可以与Mises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager塑性模型一
起使用，包括状态方程。
输入文件的使用：
应用下列选项作为一个列表功能来指定损伤开始时的等效塑性应变，列表中包括应力三轴度、应变速率和可选择性的加入温度和预定义的场变量。
*DAMAGEINITIATION,CRITERION=DUCTILE,DEPENDENCIES=n
Abaqus/CAE的使用：
属性模块（Propertymodule）：
材质编辑器（material
editor）：
Mechanical→DamageforDuctileMetals→DuctileDamage
Johnson-Cook准则
Johnson-Cook准则是塑性判据的一种特殊情况，其中损伤开始时的等效塑
性应变Dpl有以下形式：
.
式中d1d5是失效参数，0是参考应变率，为无量纲温度，其定义为：
式中为当前温度，melt为熔解温度，transition是转变温度，等于或低于转变温度
时就不再有依赖损伤应变Dpl的温度。
材料参数必须在等于或者低于转变温度的
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第19章累积损伤与失效
环境下测得。
Johnson-Cook准则可以与Mises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager
塑性模型一起使用，包括状态方程。
当与Johnson-Cook塑性模型一起使用时，
设置的熔化温度和转变温度的值应该保持与塑性模型中的值一致。
Johnson-Cook
损伤开始发生准则也可以与任何其他的准则一起使用，包括塑性准则；每个发生
准则都相互独立。
输入文件的使用：
使用下面的选项定义Johnson-Cook损伤开始发生准则中
的参数。
*DAMAGEINITIATION,CRITERION=JOHNSONCOOK
Abaqus/CAE的使用：
属性模块（Propertymodule）：
材质编辑器（material
editor）：
Mechanical→DamageforDuctileMetals→Johnson-CookDamage
剪切准则
剪切准则是用来预测由局部剪切带引起的损伤破坏开始产生的现象学模型。
此模型假设损伤开始时的等效塑性应变Dpl是剪应力比和应变率的函数：
式中s（q
ksp）/mas为剪应力比，
mas为最大剪应力，ks是材料参数。
铝的ks
典型值为ks
0.3（Hooputraetal.,2004
）。
当下式满足时就达到了损伤破坏开
始的剪切准则：
式中ws是随着塑性变形单调递增的状态变量，而塑性变形与等效塑性应变的增
量成正比。
计算过程中每次递增，ws的增量由下式计算：
剪切准则可以与Mises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager塑性模型一
起使用，包括状态方程。
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第19章累积损伤与失效
输入文件的使用：
应用下面的选项设置ks，并用包括剪应力比、应变率、选
择性的含有温度和预定义场变量的表格定义损伤开始发生时的等效塑性应变。
*DAMAGEINITIATION,CRITERION=SHEAR,KS=,DEPENDENCIES=n
Abaqus/CAE的使用：
属性模块（Propertymodule）：
材质编辑器（material
editor）：
Mechanical→DamageforDuctileMetals→ShearDamage
金属薄片失稳的损伤破坏发生准则
颈缩失稳是金属薄片变形过程中的决定性因素：
局部颈缩区域的尺寸能够达
到薄片厚度的程度，局部的颈缩会很快导致材料失效。
局部颈缩不能使用在钣金变形计算中使用的传统壳单元来建模，因为颈缩尺寸能够达到单元厚度的程度。
Abaqus/Explicit提供了四种预测钣金颈缩失稳损伤开始的准则：
成形极限图
（FLD）、成形极限压力图（FLSD），MSFLD和M-K等损伤产生准则。
这些准则只适用于平面应力计算单元（平面应力单元、壳单元、连续壳单元和薄膜单元）。
对于其他类型的单元，Abaqus/Explicit忽略此类准则。
颈缩失稳损伤开始准则可以与损伤演化模型（“塑性金属的损伤演化与单元移除,”19.2.3节）一起使用来说明由颈缩引起的损伤。
典型的应变成形极限图（FLDs）依赖于变形路径。
变形模型的变化可能引起极限应变水平的很大改变。
所以，如果分析中应变路径
是非线性的，那么就要小心使用FLD损伤产生准则。
在实际工业应用中，应变路径会因为多步成型操作、复杂形状的工具和界面摩擦等因素发生很大的变化。
对于高度非线性应变路径的问题，Abaqus/Explicit提供了其他三种损伤开始发生准则:
成形极限应力图（FLSD）准则、Müschenborn-Sonne成型极限图（MSFLD）准则和Marciniak-Kuczynski（M-K）准则。
这些FLD损伤开始产生准则的替代准则旨在减少负载路径的依赖性。
Abaqus/Explicit中所有用于预测钣金损伤开始的有效准则的特性将在下
面介绍。
成形极限图（FLD）准则
成形极限图是很有效的概念，BackofenKeeler（1964）介绍此概念用来确定
材料颈缩失稳前能够承受的变形程度。
钣金颈缩前能够承受的最大应变就是成形
极限应变。
成形极限图是成形极限应变在对数应变下的绘图。
在随后的讨论中，
主要和次要的极限应变分别指平面内主要极限主应变的最大值和最小值。
主要极
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第19章累积损伤与失效
限应变经常作为纵坐标而次要应变作为横坐标，如图19.2.2-1所示。
将变形不稳定的状态点连接成的曲线，就称为成形极限曲线（FLC）.FLC曲线就表明了一种材料的成形性能。
Abaqus/Explicit数值计算出的应变与FLC曲线比较来确定分析成形过程的可行性。
图19.2.2-1成形极限图（FLD）
成形极限图损伤开始发生准则要求以表格的形式给出FLC的说明，表格中包
括损伤开始时的最大主应变和次要主应变，并且选择性给出温度和预定义场变量
FLD
major（minor,,fi）。
FLD损伤开始准则在wFLD1情况下使用，式中变量wFLD是
目前变形状态函数，被定义为最大主应变率
major与根据目前的次要主应变minor，
温度和预定义场变量fi估算出的FLC曲线上的主要极限应变的比值：
例如，图19.2.2-1中A点变形状态，损伤开始发生准则计算为
AB
wFLDmajor/major1
如果次要应变的值超出了表格中设定的范围，Abaqus/Explicit将会通过假
定曲线终点处的斜率保持恒定的方
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