ANSYS显式动力学中的Failure材料模型解析

1. 背景材料不能承受超过材料局部抗拉强度的拉应力。假设材料的动态运动总是保持连续，即使预测的局部应力达到非常大的值，计算材料的动态运动也会导致非物理解。所以，必须建立一个模型，以识别何时达到拉伸极限，以修改计算以处理这一点，并描述应用该公式后材料的性质。在显式动力学系统中有以下几种不同的失效启动模式：（1）材料当前正在经历弹性变形，或没有变形（2）材料中的塑性应变在上一个时间步长内增加（3）材料由于各向同性(体积)准则而失效（4）材料由于主值（principle value）而失效
2. Post failure response在单元中发生失效后，单元的后续强度特征将根据失效模式的类型而改变（1）瞬时失效（Instantaneous Failure）一旦发生故障，元件的偏应力将立即设置为零，并保持在该水平。随后，该单元将只能支持压缩压力。（2）逐渐失效（Gradual Failure (Damage)）破坏开始后，单元应力受损伤演化规律的限制。通常，这会导致元件承载偏应力和压应力的能力逐渐降低。默认情况下，拉伸失效模型将在失效后产生瞬时响应。除了其他故障起始特性之外，插入裂纹软化故障（crack softening failure）特性还会导致逐渐的失效响应。
3. 失效模型（Failure models）

（1）Plastic Strain Failure

Plastic Strain Failure可以用来模拟材料的延性破坏。失效起始是基于材料中的有效塑性应变。用户输入最大塑性应变值。如果材料的有效塑性应变大于用户定义的最大值，则会发生失效。这种材料会瞬间失效。（注：此失效模型必须与塑性或脆性强度模型一起使用）

（2）Principal Stress Failure

Principal Stress Failure可以用来表示材料的脆性破坏。失效起始基于以下两个准则之一：最大主拉应力；最大剪应力(由主应力的最大差值得出)。当满足上述任一标准时，将启动失败。这种材料会瞬间失效。如果将此模型与塑性模型结合使用，则通常建议通过指定较大的值来停用最大剪应力标准。在这种情况下，剪切响应将由塑性模型处理。（注：裂纹软化失效特性可以与这一特性相结合来激发基于断裂能的软化。）

（3）Principal Strain Failure

Principal Strain Failure可以用来表示材料的脆性破坏或延性破坏。失效起始基于两个准则之一：最大主拉应变；最大剪切应变(来自主应变的最大差值)。当满足上述两个准则中的任一个时，失效起始。这种材料会瞬间失效。如果将此模型与塑性模型结合使用，则通常建议通过指定较大的值来停用最大剪切应变准则。在这种情况下，剪切响应将用塑性模型来处理。（注：裂纹软化失效特性可以与这一特性相结合来激发基于断裂能的软化。）

（4）Stochastic Failure

为了模拟对称载荷和几何形状的碎裂，有必要施加一些材料的异质性。真正的材料具有固有的微观缺陷，这些缺陷会导致失效和开裂。用数值方法再现这一点的一种方法是将材料的破坏应力或应变随机化。利用这一性质，莫特分布（Mott distribution）被用来定义失效应力或应变的方差。每个元件都被分配了一个由莫特分布确定的值，其中值1等于材料的破坏应力或应变。

Stochastic Failure可以与许多失效特性结合使用，包括水力(分钟)、塑性应变、主应力和/或应变。它还可以与RHT混凝土模型结合使用。必须指定随机方差γ的值，还必须指定分布种子类型。如果每次执行模拟时都选择“随机”选项，则将计算新的分布。如果选择了“FIXED”选项，则每个解算将使用相同的分布。但是，与在更高版本中运行模型相比，在一个版本中运行模型时，此固定分布也可能会发生变化

莫特分布公式

（5）Tensile Pressure Failure

拉伸压力破坏模型允许指定最大流体动力拉伸极限。这用于表示材料的动态层裂(或空化)  强度。该算法简单地将材料中的最大拉伸压力限制为

如果材料压力P变得小于定义的最大拉伸压力，则发生破坏。这种材料会瞬间失效。如果材料定义包含损伤演化规律，则随着损伤从0.0增加到1.0，用户定义的最大拉伸压力将按比例缩小。（注：该属性只能应用于实体。裂纹软化失效特性可以与这一特性相结合来激发基于断裂能的软化。）

（6）Crack Softening Failure

拉伸裂纹软化模型是基于断裂能的损伤模型，它可以与许多不同类型的破坏起始模型一起使用，以提供单元承载拉应力的能力的逐渐降低。该模型主要用于研究脆性材料的破坏，但已被应用于其他材料，以减少网格依赖效应。

（7）Johnson-Cook Failure

Johnson-Cook Failure可用于模拟承受较大压力、应变率和温度的材料的延性失效。（注：该属性只能应用于实体）

（8）Grady Spall Failure

Grady Spall模型可以用来模拟冲击载荷下金属的动态层裂。通过计算模型中每个单元在每个时间步的临界层裂应力，并将其与局部最大主拉应力进行比较。如果单元的最大主拉应力超过临界层裂应力，则单元的瞬时破坏开始。铝的临界应变的典型值是0.15。（注：该属性仅适用于拉格朗日实体；该特性必须与塑性模型一起使用）

Reference：