Abaqus中复合材料地累积损伤与失效.doc

word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与连接单元中进展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当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点明确材料损伤的开始，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局部：l ‘〕l 损伤开始的标准〔如图19.1.1-1中c点〕l 损伤开展演变的规律〔如图19.1.1-1中曲线c-d〕l 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〕 关于这几局部的内容，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〕进展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局部，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适宜能量的耗散以与最大程度减轻网格的依赖19.3 纤维增强复合材料的损伤与失效lll19.3.1纤维增强复合材料的损伤与失效：概论产品：Abaqus/Standard Abaqus/Explicit Abaqus/CAE参考：l “Progressive damage and failure〞l “Damage initiation for fiber-reinforced posites〞l “Damage evolution and element removal for fiber-reinforced posites〞l *DAMAGE INITIATIONl *DAMAGE EVOLUTIONl *DAMAGE STABILIZATIONl “Hashin damage〞 in “Defining damage,〞 Section 12.8.3 of the Abaqus/CAE User’s Manual, in the online HTML version of this manual概论Abaqus具有为纤维增强复合材料的渐进损伤和破坏建模的能力。

它能预测各向异性弹-脆性材料的损伤产生与演化规律材料模型要求以下定义：l 未损伤时的材料属性必须是线弹性的l 损伤初始产生准如此l 损伤演化规律l 单元选择性移除单向板的损伤根本概念损伤的特点是材料刚度的逐渐减小这在纤维增强复合材料的分析中有很重要的作用很多这样的材料表现出弹-脆性行为，也就是材料在小变形的情况下就开始发生损伤所以在建立此种材料的模型时，材料塑性被忽略假设纤维增强复合材料中的纤维是平行的，如图19.3.1-1所示我们必须在用户定义的局部坐标系中定义材料属性单向层位于1-2平面内，1方向表示纤维方向我们要用定义正交线弹性材料的方法来定义材料未损伤时的行为最简单的方法是定义平面应力的正交材料然而，材料行为也可以采用定义工程常数或直接定义弹性刚度矩阵的方法来定义图19.3.1-1 单向层Abaqus支持的各向异性损伤模型基于Matzenmiller et. al(1995),Hashin and Rotem(1973),Hashin(1980),and Camanho and Davila(2002)的工作四种不同的失效模型：l 拉伸载荷作用下的纤维断裂l 压缩载荷下的纤维屈曲和扭结l 横向拉伸和剪切载荷下的基体断裂l 横向压缩和剪切载荷下的基体破碎在Abaqus中，损伤萌生是由Hashin〔1980〕和Rotem〔1973〕提出的损伤初始准如此来决定的，准如此中的失效面是由有效应力空间来表示的〔可以有效承受力载荷的面上的应力〕。

这些准如此的细节将在“纤维增强复合材料的损伤产生〞中讨论材料的应力根据下式计算，式中表示应变，表示弹性矩阵并反映任何损伤，有以下形式：式中，反映当前纤维损伤状态，反映当前基体损伤状态，反映当前剪切损伤状态，为纤维方向的杨氏模量，为垂直于纤维方向上的杨氏模量，为剪切模量，为泊松比纤维增强复合材料的损伤演化与单元移除〞中详细介绍，19.3.3节还将介绍：l “纤维增强复合材料的损伤演化与单元移除〞〕l “纤维增强复合材料的损伤演化与单元移除"中的“粘滞阻力〞〕单元纤维增强复合材料的损伤模型必须采用平面应力单元，包括平面应力单元、壳单元、连续壳单元和薄膜单元其他参考l Hashin, Z., and A. Rotem, “A Fatigue Criterion for Fiber-Reinforced Materials,〞 Journal of posite Materials, vol. 7, pp. 448–464, 1973.l Hashin, Z., “Failure Criteria for Unidirectional Fiber posites,〞 Journal of Applied Mechanics,vol. 47, pp. 329–334, 1980.l Matzenmiller, A., J. Lubliner, and R. L. Taylor, “A Constitutive Model for Anisotropic Damage in Fiber-posites,〞 Mechanics of Materials, vol. 20, pp. 125–152, 1995.l Camanho, P. P., and C. G. Davila, “Mixed-Mode Decohesion Finite Elements for the Simulation of Delamination in posite Materials,〞 NASA/TM-2002–211737, pp. 1–37, 2002.19.3.2 纤维增强复合材料的损伤萌生产品：Abaqus/Standard Abaqus/Explicit Abaqus/CAE参考：l “Progressive damage and failure,〞l “Damage evolution and element removal for fiber-reinforced posites,〞l *DAMAGE INITIATIONl “Hashin damage〞 in “Defining damage,〞 Section 12.8.3 of the Abaqus/CAE User’s Manual, in the online HTML version of this manual概论纤维增强材料的损伤建模功能：l 要求材料未损伤时为线弹性〔参考“线弹性行为〞第17.2.1节〕l 基于Hashin的理论〔Hashin和Rotem，1973，和Hashin,1980〕l 考虑四种不同的失效模型：纤维拉伸、纤维压缩、基体断裂和基体破碎l “纤维增强复合材料的损伤演化与单元移除〞中提到的损伤演化模型一起使用。

损伤萌生 损伤萌生是在材料硬点退化开始在Abaqus中纤维增强复合材料的损伤萌生准如此基于Hashin的理论这些准如此考虑了四种不同的损伤萌生机制：纤维拉伸，纤维压缩，基体断裂和基体破碎损伤萌生准如此有下面的一般形式：在上面的方程中XT表示纵向拉伸强度; XC表示纵向抗压强度; YT表示横向拉伸强度; YC表示横向抗压强度; SL表示纵向剪切强度; ST表示横向剪切强度;α是一个系数用于决定剪应力对纤维拉伸损伤准如此的影响；是有效应力X量的分量，是用来评估萌生标准并按下式计算：上式中σ是名义应力，M是损伤矩阵：df，dm和ds是内部损伤变量分别代表纤维，基体和剪切损伤，这是由损伤变量dft，dfc，dmt，dmc推导出的，用于对应先前所讨论的四个模式，如下：在任何损伤萌生和演化之前，损伤控制矩阵M为单位矩阵，因此一旦至少有一个模型已经发生损伤萌生和演化，损伤控制矩阵在损伤萌生准如此中就具有重要意义〔见“纤维增强复合材料的损伤演化和元素去除，〞第19.3.3损伤演化的讨论〕有效应力用于表示有效承载力载荷的损伤面上的应力上面介绍的损伤萌生准如此，可以通过设置T=YC/2获得Hashin和ROTEM〔1973〕提出的模型，设置=1.0获得Hashin〔1980〕提出的模型。

与每个损伤萌生准如此有关的输出变量〔纤维拉伸，纤维压缩，基体拉伸，基体压缩〕用来表示是否已经达到标准值为1.0或更高如此说明萌生准如此已满足如果只定义损伤萌生模型而没有定义相关的演化规律，萌生准如此将只影响输出因此，可以在不建立损伤演化模型的情况下使用损伤萌生准如此来评估材料的特性输入文件使用方法：使用如下选项来定义Hashin损伤萌生标准：*DAMAGEINITIATION,CRITERION=HASHIN,ALPHA=XT，XC，YT，YC，SL, STAbaqus / CAE用法：Property module: material editor: Mechanical→Damage for Fiber-Reinforced posites→Hashin Damage单元：损伤萌生准如此必须与平面应力单元一起使用，其中包括平面应力单元，壳单元，连续壳单元，薄膜单元输出：在Abaqus中除了标准输出标识符〔“Abaqus //标准输出变量标识符，“第4.2.1节〕，纤维增强复合材料损伤模型中材料某点萌生损伤时涉与的输出变量还包括：DMICRT 所有损伤引发的标准组件HSNFTCRT 在分析过程中纤维拉伸萌生准如此所经历的最大值。