Abaqus渐进损伤与失效的综述

Abaqus提供了几个模型来预测渐进损伤和失效。

① 延性金属的渐进损伤和失效

Abaqus提供了一个通用的能力来模拟延续金属的渐进式损伤和失效。该功能可以与, Johnson-Cook, Hill, 和 Drucker-Prager塑性模型结合使用。该功能支持一种或多种损伤起始准则，包括ductile, shear, forming limit diagram (FLD), forming limit stress diagram (FLSD), Müschenborn-Sonne forming limit diagram (MSFLD), 和 Marciniak-Kuczynski (M-K) criteria。损伤发生后，材料刚度按照指定的损伤演化响应逐步退化。渐进损伤模型允许材料刚度的平滑退化，这使得它们适用于准静态和动态情况，比动态破坏模型有很大的优势。

在Abaqus/Standard中不支持Johnson-Cook和Marciniak-Kuczynski (M-K)损伤起始准则。

② 纤维增强材料的渐进损伤

Abaqus提供了模拟纤维增强材料各向异性损伤的能力。假设未损伤材料的响应是线弹性的，该模型旨在预测纤维增强材料的损伤可以在没有大量塑性变形的情况下开始的行为。采用Hashin's 起始准则预测损伤发生，而损伤演化规律基于损伤过程中能量耗散和材料线性软化。

③ 低周疲劳分析中延性材料的渐进损伤与失效

Abaqus/Standard提供了在使用直接循环方法的低周疲劳分析中，由于应力逆转和非弹性应变的积累，对延续材料进行渐进损伤和破坏建模的能力。损伤起裂判据和损伤演化以每稳定循环累积的非弹性迟滞能量为特征。损伤发生后，弹性材料的刚度按照指定的损伤演化响应逐步退化。

此外，Abaqus还提供了④ 混凝土损伤模型、⑤ 动态失效模型，以及⑥粘聚力单元(使用牵引-分离描述定义粘聚力单元的本构响应)和⑦连接器(连接器损伤行为)的损伤和破坏建模的专门功能。

本节概述了渐进损伤和失效，并简要描述了损伤起始和演化的概念。本节的讨论仅限于延性金属和纤维增强材料的损伤模型。

1. 损伤和失效建模的通用框架

Abaqus为材料失效建模提供了一个通用框架，允许多种失效机制同时作用于同一材料。材料失效是指由于材料刚度的逐渐退化而导致承载能力的完全丧失。用损伤力学方法模拟刚度退化过程。

为了帮助理解Abaqus中的失效建模功能，考虑一个典型金属试样在简单拉伸试验中的响应。应力-应变响应，如图1所示，将显示不同的阶段。材料响应最初是线弹性，a - b；随后是塑性屈服和应变硬化，b - c；超过c点，承载能力显著降低直至破裂，c−d。最后阶段的变形位于试样的颈部区域。点c确定了材料在损伤开始时的状态，称为损伤起始准则。超过此点，应力-应变响应c−d由应变局部化区域刚度退化的演化所控制。在损伤力学中，c - d可以看作是材料在没有损伤的情况下所遵循的曲线c - d '的退化响应。

   金属试样的典型单轴应力-应变响应
 

因此，在Abaqus中，失效机制的定义由四个不同的部分组成：

① 有效(或未损伤)材料响应的定义(例如图1中的a−b−c−d’)；

② 损伤起始准则(如图1中的c)；

③ 损伤演化规律(例如图1中的c−d)；

④ 单元删除的选择，一旦材料刚度完全退化，就可以从计算中删除单元(例如图1中的d)。

2. 网格的依赖性

在连续介质力学中，本构模型通常用应力-应变关系来表示。当材料表现出应变软化行为，导致应变局部化时，该公式导致有限元的网格依赖性强，网格细化后能量耗散减小。在Abaqus中，所有可用的损伤演化模型都使用旨在减轻网格依赖的公式。这是通过在公式中引入特征长度来实现的，在Abaqus中，特征长度与单元尺寸有关，并将本构律的软化部分表示为应力-位移关系。在这种情况下，在破坏过程中耗散的能量是每单位面积，而不是每单位体积。该能量被视为附加的材料参数，并用于计算材料发生完全损伤时的位移。这与临界能量释放率作为断裂力学材料参数的概念是一致的。这个公式确保了正确的能量消散，并大大减轻了网格依赖。

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