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
目录
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the Mises, 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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19.Abaqus累积损伤与失效解析
