ABAQUS/explicit破壞-失效的小結-脆性材料brittle cracking

2021-12-30 巖土科研

首先我來講解一下材料的破壞準則,在材料力學課本中,只有四種破壞準則,分別為最大主拉應力準則,最大伸長線應變理論,最大切應力準則,形狀改變能密度理論。在這之前最好能區分開材料的屈服與破壞的概念,還有有限元這裡有個failure失效的概念。我推薦大家讀一下中科院武漢巖土力學研究所的《材料屈服與破壞的探索》這篇文章,百度百科就有,講的真的不錯。

      為什麼ABAQUS中會有這麼多破壞準則,而且取的參數那麼多,這主要是因為ABAQUS中的破壞準則更準確一些。是針對上邊這些準則有更多的修正參數。而且針對不同的材料具有不同的破壞準則。
      破壞準則在不同的應力空間平面上具有不同的形式,大多數採用在主應力空間(也就是三個坐標軸,分別為第一、二、三主應力)表示,而且有個很重要的平面就是π平面(通過原點的,與三個坐標軸等傾的平面),像第四強度理論(也叫Mises強度理論),在π平面顯示為一個圓,第三強度理論(也叫Trasca強度準則)在π平面為一個正六邊形,第一強度理論為一個正三角形。第二強度理論不是基於應力的破壞準則,而且跟許多實驗結果對應不上,只能跟少數材料的破壞準則對應得上,所以現在應用的較少。所以說不同的強度理論,只是在π平面上的形狀不同而已。

       材料的破壞準則按是否基於連續介質模型,只分為兩種,一種是基於連續介質的材料,如mechanical中的大多數都是基於連續介質的,因為基於連續介質的模型,在數學處理上較為容易。前邊說的這四種材料破壞準則,都是基於連續介質材料的破壞準則,材料不會發生撕開或者斷裂的行為。另外一種是非連續介質的材料,但主要是基於斷裂力學的一些理論,如果對斷裂力學不理解,根本不知道怎麼取參數。關於材料斷裂力學我研究的也不多,只知道兩三個概念,什麼J積分,斷裂因子,能量釋放率什麼的。斷裂力學可以解釋一部分材料的破壞,但是還是不能解釋一部分物理現象,而且斷裂力學理論歷來備受爭議。下面我們主要就材料的連續介質的材料破壞模型作介紹。

       在材料屬性的力學裡邊,可以定義材料的破壞準則。材料分為彈性階段和非彈性階段,如果定義材料的破壞,主要是定義非彈性階段的應力應變關係。像塑性屬性裡邊,分為多個材料的破壞理論。這裡邊可以定義材料的失效,我說的材料失效是指材料完全失去承載能力,這時可以將單元刪除,那麼就要定義單元的刪除準則。當單元積分點處的應變達到一定程度,單元可以刪除。材料的破壞準則定義應該首先明確材料何時發生破壞,第二個是定義材料發生破壞之後的應力應變關係,在有限元中是這樣進行處理的,就是單元積分點處的應力達到某種狀態,材料將進入非彈性階段,會產生不可恢復的變形,當變形達到一定程度,單元可以直接刪除。關於塑性理論裡邊的我認為主要就是這麼個過程。

      下邊我主要就脆性材料的破壞準則進行講解。 也就是定義材料力學屬性裡邊的bittle cracking。這個可以查看幫助手冊,手冊是英文的,如果看不懂的話,可以結合《ABAQUS在土木工程中的應用》這本書中的第三章來看,王金昌編寫的,不看不知道,看了才知道,**!!完全就是幫助手冊的中文翻譯,雖然說我減少了學習英語的機會,但是對於我學習brittle craking確實節約了我不少時間!!!當然這裡邊也有關於砼損傷塑性和砼彌散開裂的模型。通過brittle cracking這裡邊,可以實現以下幾個功能。第一定義最大主拉應力破壞準則(第一強度理論),這樣可以判斷材料什麼時候開始發生破壞。第二個就是定義材料達到破壞強度之後的應力應變關係,一般是一個應力應變呈軟化的形式,還要定義材料發生開裂之後,開裂面的剪切性能。第三個就是定義材料什麼時候失效(單元可以刪除)。

      下邊我就結合我做的水泥石材料破壞模型進行講解,希望可以對大家起到一定的幫助。

      輸入參數主要是這樣定義的:

      材料的彈性量為20000MPa, 密度為0.0025t/mm3,step加載時間為10s.

                                                                             ABAQUS中Brittle craking的定義

Brittle cracking選項

Brittle shear選項

Brittle failure選項

破壞後的主應力(MPa)

對應的應變

剪切保留因子(MPa)

對應的應變

破壞應變

2抗拉強度)

0

1

0

0.0001(總的應變)

0

0.0001(註:此為總的應變)

0

0.0001(總的應變)


Brittle failure選項 破壞應變  0.0001(總的應變)

下邊主要就這幾個輸入參數進行解釋,

     (1)Brittle cracking:在brittle cracking裡邊有兩列數據,第一行的第一個數據為材料的抗拉強度,2代表了水泥的抗拉強度為2Mpa,此時對應的拉伸開裂後的應變為0,也就是第一行第二個數據必須為零,跟定義金屬類材料的塑性屬性時差不多,第一行第一個數據代表了金屬材料的屈服應力,而且第一行的第二個數據必須為0。然後第二行數據代表了當應變為0.0001時,應力減小為零,通過這兩行數據也就定義了材料的抗拉強度,以及達到抗拉強度後,材料的應力應變關係承線性下降的過程。當然也可以多定義幾行,使材料的應力應變不是線性的下降過程。

     (2)Brittle shear:在子選項裡邊有兩個選項,第一個是brittle shear,第二個是brittle failure。注意brittle shear必須那brittle craking同時進行定義,也就是這brittle cracking跟brittle shear是一起相對應著定義的,而brittle failure不是必須得定義的。先來講一下brittle shear的定義,brittle shear主要是定義材料開裂後的剪切性能。在這裡我定義的是當材料達到其抗拉強度時,抗剪切的能力保留因子為1,對應的應變為0,當應變為0.0001時,材料不再承受剪切能力,也就是抗剪切的能力也是承線性下降的。

         (3)Brittle failure裡邊的定義就是當單元中的應變達到0.0001時,單元完全失效,不再承受拉力,此時可以將單元刪除。注意,如果想查看材料的破壞過程必須定義這個選項,否則不能通過STATUS去查看材料的破壞過程。也就是失效的單元被一個個刪除的過程。

      對於正確理解上邊的這幾個參數,我還說以下幾點,以幫助大家正確理解。

    (1)在這裡說的cracking並不是說的真正的裂縫,只是在數值上好處理罷了,在有限單元中,當單元中積分點上的應力達到其抗拉強度後,積分點處將會假想這個位置產生一條裂縫,但是並不是真正的開裂,整個有限元模型還是基於連續介質的模型。

    (2)在有限元程序中是如何識別材料發生破壞。我認為有限元程序是這樣做的,只是考慮單元中是積分點處的應力是否達到其強度,單元中其它位置根據積分點處的應力進行插值求得。

    (3)上邊我用的是材料破壞後通過應力應變的關係來定義的材料破壞後的關係,也可以通過GFI(斷裂力學概念)或裂縫之間的位移displacement來定義破壞後的材料力學性能的減弱。

   (4)對於brittle cracking只能是用ABAQUS/explicit求解器,standard是不支持的,因為在這裡邊涉及到了材料的失效過程,而standard是不支持材料的失效定義的。

   (5)有的說刪除單元得用那個model change,remove這個命令,我對於這個命令用的也不是很熟悉,但是我知道它只是用於standard求解器,放在step中的最後一行,但是在step一開始就起作用。在這裡單元的刪除是通過brittle failure來定義的。如果想查看STATUS,STATUS=1,代表單元還存在,等於0時,代表單元刪除掉。

   (6)對於定義材料的第一主應力強度破壞準則,國外參考文獻上一般都叫做Rankine criterion,這個準則的定義目前我只知道兩個地方。一個是剛才我說的這個brittle cracking這裡邊,還有一個是plastisity裡邊的莫爾-庫侖塑性,在這裡邊如果在那個指定cut off選項前邊打勾,就代表了材料Rankine criterion與莫爾-庫侖準則的組合形式。如果將莫爾-庫侖準則的中的粘性係數c和摩擦角設置的比較大,則認為此時的準則是Rankine準則。

下邊我取了一個驗證性模型,大家可以看一下效果。分別定義三種材料,材料的彈模為20000MPa.泊松比為0.25.

圖1:模擬出來的某個單元積分點處S22方向的應力應變關係,可以看出,當應力達到破壞應力2MPa後,應力開始下降。

圖2:下端固定,上端向上施加位移0.02mm,中,下邊這圖代表了模型由四種不同的材料構成,它們的彈性模量均為20000MPa,泊松比為0.25,只是他們的抗拉強度不同。中間綠色的抗拉強度為2 MPa,它的兩側白色的兩列為MPa,再向外兩側的紅色為6 MPa,再向外的四列為完全線彈性的材料,不發生破壞。

圖3:材料的破壞過程,提前設置好STATUS

圖表 1某個單元積分點處S22方向的應力應變曲線


圖表 2模型中材料分配的示意圖,不同顏色代表不同抗拉強度的材料

圖表 3總共加載時間為10S,上圖顯示出了不同加載時間,單元的破壞情況和應力圖

相關焦點

  • 每日一詞brittle
    4、詞義辨析brittle、fragile與frail這些形容詞都含有「易碎的」之意。brittle : 指沒有彈性或伸縮性的脆性材料,暗示受壓或被扭曲時易碎。frail : 多指人體虛弱,也指某物不耐用,易碎易損5、短語搭配Brittle coating 脆性塗層 ; 脆性塗料brittle strength
  • 失效分析
    結構材料是以力學性能為主要特徵;功能材料是以物理、化學等性能為主要特徵。二者性能的不同是由微觀結構和元素屬性所決定。● 材料的失效行為主要取決於微觀結構和宏觀形態的變化。確定不同材料的失效模式、失效機理、失效缺陷與失效起因的相互關係,是失效分析學科的核心內容。
  • 金屬材料常見失效形式及其判斷
    金屬材料在各種工程應用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等。      腐蝕是材料表面與服役環境發生物理或化學的反應,使材料發生損壞或變質的現象,構件發生的腐蝕使其不能發揮正常的功能則稱為腐蝕失效。
  • 成工讀法規(6): 歐盟承壓設備指令之材料許用-特殊材料審批PMA(續)
    我們策劃的關於PED材料要求的介紹內容,到第6篇,要收官了。 在上一篇文章中,我們介紹了PED材料許用的三種準則。其中第三種Particular Material Appraisal (PMA),實質上就是同歐盟協調標準材料進行對標。
  • Abaqus 6.14.4軟體下載安裝教程
    ★百度雲網盤下載連結:https://pan.baidu.com/s/1RaS-D4AD82LIRo3-NCCicQ提取密碼:gmbs【建議複製Ctrl+C 粘貼Ctrl+V】簡介:abaqus其解決問題的範圍從相對簡單的線性分析到許多複雜的非線性問題,包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫,並擁有各種類型的材料模型庫,可以模擬典型工程材料的性能,還可以模擬其他工程領域的許多問題。安裝前須知:Abaqus 6.14.4適用於Win 10/Win 8/Win 7系統註:若連結失效,請聯繫我們謝謝!
  • abaqus教學視頻目錄
    tuin=1a76015b 技術鄰平臺視頻1 abaqus單樁承載力數值分析https://www.jishulink.com/college/video/c131732 abaqus侵蝕彈丸衝擊腐蝕板https://www.jishulink.com/college/video/c130953 abaqus
  • 鋼材、金屬的脆性、成因及對策有哪些?
    鋼材鋼鐵等工程構件在韌性、塑性指標值較低的時候即表現為脆性。脆性失效往往沒有徵兆,危害卻常常是災難性的,所以應該儘量避免構件材料的脆性。 與熱處理有關的材料脆性有:回火脆性、低溫脆性、氫脆、 σ脆性和電鍍脆性等。本文分別闡述其成因及對策。
  • 碟形彈簧失效的多種原因分析
    長期承受載荷時,會產生徑向穿透裂紋; 碟形彈簧工作時位於碟形彈簧的內圈表面和端面的交界處,承受很大拉應力,以下是碟形彈簧的失效分析: 1. 加工過程中出現裂紋。碟形彈簧是通過熱鍛,淬火,高溫回火和回火處理以及噴丸強化表面來形成的。在整個加工過程中,碟形彈簧中會出現微裂紋,從而引起應力集中。如果在使用過程中負載太高,碟形彈簧將被加速。疲勞失效甚至破裂。
  • abaqus關聯Fortran子程序教程(包含安裝包)
    對於abaqus玩家來說,有時候需要用到一些子程序,常見的如焊接模擬的熱源子程序、荷載子程序、材料子程序和單元子程序等等,但是調用子程序需要將abaqus和Fortran關聯起來,雖然網上有不少教程,但卻將安裝包和關聯教程分離開,這就影響我們安裝/關聯的效率,有時候甚至會浪費時間和金錢去淘寶尋求幫助(約30元),這是不值得的。
  • C++ explicit關鍵字詳解
    int size = strlen(p); m_pStr = malloc(size + 1); strcpy(m_pStr, p); m_iSize = strlen(m_pStr); }    ~ CxString(){ if(m_pStr) { delete m_pStr;
  • Abaqus 6.14軟體安裝教程
    Abaqus 6.14-4 /64位下載地址:連結: https://pan.baidu.com/s/1qZjPzju密碼: mnyo安裝中有問題諮詢夥伴神私人微信:cityhbs軟體簡介:Abaqus6.14有限元分析軟體在接觸和約束、材料
  • 脆性係數
    02 Brittleness numberBache先生建議大家從斷裂力學角度,特別是從脆性係數角度來進行材料及構件設計,通過綜合考量即可設計出經濟且性能優異的結構。對於常用的工程材料而言,一般強度越高,脆性越大;尺寸越大,脆性越高。除去材性差別,單從實際材料加工缺陷及其分布去考慮就不難理解的。
  • Abaqus用戶幫助文檔中文翻譯——Abaqus/CAE啟動和退出
    您可以運行abaqus啟動程序、指定cae或者查看器參數來啟動Abaqus/CAE (or Abaqus/查看器):Abaqus/CAE 或者Abaqus/查看器[database=database-file][replay=replay-file][Recover=journal-file][startup=startup-file
  • 小知識:疲勞破壞
    疲勞破壞是指在遠低於材料強度極限甚至屈服極限的交變應力作用下,材料發生破壞的現象。
  • 美國陸軍研究實驗室的重點研究領域,包括人工智慧、材料失效等
    下面我就簡單一下,這些關鍵領域包括:人機配合,人工智慧和機器學習,複雜環境下的網絡和電磁技術,分布/協同式作戰,戰術分隊能源獨立,耐用材料的操作失效物理、預備役加速學習、需求製造等。ARL關鍵研究領域像無人機協同作戰在吳京的《戰狼2》中也有出現,會是未來作戰的一個趨勢。
  • Abaqus中如何建立cohesive element分析步
    點亮「在看」,優質內容不錯許多關於斷裂和失效的實際問題都可以在
  • 從沒見過這麼全的材料失效分析,必收藏
    失效分析簡介失效分析是一門發展中的新興學科,近年開始從軍工向普通企業普及,它一般根據失效模式和現象,通過分析和驗證,模擬重現失效的現象,找出失效的原因,挖掘出失效的機理的活動。在提高產品質量,技術開發、改進,產品修復及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義。
  • 不鏽鋼換熱管為什麼會出現脆性斷裂?
    不鏽鋼換熱管尤其是奧體式不鏽鋼換熱管,有著良好的耐腐蝕性和耐氧化性,但其在使用過程中還是會出現脆性斷裂情況,那麼,你可知道,什麼是脆性斷裂?不鏽鋼換熱管出現脆性斷裂的原因是什麼?下面,東燕節能就帶大家了解一下不鏽鋼換熱管的脆性斷裂。
  • 塑料製件開裂失效!別忙換原料,國高材3步法查明原因
    應力開裂是指塑料製品在使用過程中受外界應力作用,發生提前開裂而破壞的一種複雜失效行為,與環境作用、材料特性、成型方式等多種因素有關。 國高材分析測試中心長期提供材料失效分析技術服務,能快速定位材料製件失效原因,為客戶進一步質量改善提供優化方案。