ABAQUS中的损伤模型

1、本周主要是研究了 ABAQUS中自带的损伤模型。关于弹塑性力学的内容， 感觉再看下去会跑偏，故先回归损伤力学。主要阅读ABAQUS用户帮助手册及一些用ABAQUS建立损伤模型的相关文 献。1 Abaqus Analysis User's Manual2婴幼儿摇椅金属底座的破裂分析.2010 Abaqus Taiwan Users' Conference.3曹明,ABAQUS损伤塑性模型损伤因子计算方法研究.4 Failure Modeling of Titanium 6A1-4V and Aluminum 2024-T3 With the Johnson-Cook Materi

2、al Model另外，在Abaqus Example Problems Manual中有考虑损伤的模拟薄板铝材在 准静态荷载和动力荷载下的累进失效分析的操作范例，还没来得及看。ABAQUS中包括延性金属损伤、服从Traction-S叩aration法则的损伤、纤维 增强复合物的损伤、弹性体损伤。实际上对于混凝土还有塑性损伤模型，东南大 学的曹明对该模型有详尽描述。在此仅讨论金属损伤模型。对于损伤的主菜单，定义的是损伤的萌发模型，子选项为损伤的演化。先来 谈谈损伤的萌发模型。1、损伤萌发模型延性金属损伤包括柔性损伤、Johnson-Cook损伤、剪切损伤、FLD损伤、 FLSD损伤、M-K损伤、

3、MSFLD损伤。服从Traction-Separation法则的损伤是针对Cohesive Element （黏着单元）， 应该不适合厚钢板结构，不予考虑。纤维增强复合物损伤不考虑。弹性体损伤针对于类似橡胶类物质，不考虑。对于延性金属损伤，剪切损伤模型用于预测剪切带局部化引起的损伤， FLD、FLSD、MSFLD、M-K损伤都是用于预测金属薄片成型引起的损伤，故现 在只剩 柔性损伤和Johnson.Cook损伤符合厚钢板结构的损伤研究。柔性损伤和Johnson-Cook损伤都是一类模型，预测由于延性金属内部空隙成 核、成长、集结引起的损伤萌生。模型假定损伤萌生时的等效塑性应变是三轴应 力和应变

4、率的函数。该延性准则由MISES、Johnson-Cook> Hill、Drucker-Prager 塑性模型整合得到。柔性损伤需输入的参数是断裂应变（损伤发生时的等效断裂应变）（Equivalent fracture strain at damage initiation）、应力三轴度（r）= -p/q, 其中 p 是压应力（pressure stress,也可译为静水压应力），q是MISES等效应力）、应 变 率（等效塑性应变率）。三者关系是，在不同的三轴应力和应变率下，损伤 萌生的断裂应变是不同的。三者是以表格的形式输入的，表现了材料的一种性 能。所以应用该模型的前提是材料性能已知

5、或已经假定，有点类似ABAQUS中对塑性 材料的定义。Johnson-Cook损伤需要输入五个失效参数D1-D5、熔点Bmeit、转变温度 6trans,tion,参考应变率0,五个失效参数是由实验获得的材料参数，不容易获得。 在文后会附录该模型的表达式。当小于等于转变温度transition时，损伤应变表达 式不依赖于温度。材料参数必须在转变温度之下测量。2、损伤演化在ABAQUS中的损伤演化菜单属于损伤模型的子选项，且对于不同的模型， 其菜单项变化不大，对于柔性损伤和Johnson-Cook损伤，子选项都是一样的。损伤演化的类型分为位移和能量，分别从破坏时的位移和断裂能的角度求损 伤的演化

6、。个人见解，对于位移求损伤变量，其应该采用类似脆塑性模型的方法 （见损伤力学2.5）。对于能量方法，通过断裂所需的能量求出损伤变量，有 点类似损伤力学2.2的方法。不过，具体采用什么模型，无从得知。ABAQUS中的损伤演化是从损伤萌生开始算起的，表现为材料刚度的降低。 默认损伤萌生之前损伤因子为0,材料断裂时损伤因子为1。总结ABAQUS中的损伤模型，都是损伤萌发的预测模型，由于课题研究是将残余 应力描述为一种初始损伤，即损伤变量一开始就不为0,故采用ABAQUS损伤模 型的意义不大。其次，参数的输入还依赖于实验得到的各种参数，不易获取。Johnson-Cook 模型对损伤演化的考虑较细致，但

7、是有五个失效参数需从实验获取；柔性损伤模 型且ABAQUS中的损伤演化过于简单、笼统，考虑的因素较少，如沈祖炎的模型 中还考虑了最大塑性应变及权值等（当然，沈祖炎模型是针对低周循环荷载而言 的）。在用户帮助手册中也提到了考虑低周循环荷载的损伤萌生和演化，还未 看，不过其采用的各种模型仍属于上述类型。故考虑使用用户子程序UMAT编写材料本构关系，模拟损伤。附Johnson - Cook损伤模型Johnson-Cook模型中的失效累积（failure accumulat沁n也可能是损伤累积） 并不直接使屈服而退化，定义失效时的应变为：8= 1+2（3* ）1+D4f ）1+D5*第一个括号表示断裂

8、应变随着静水应力张量的增加而减小，第二个括号表示 增加的应变率对失效应变的影响效应，第三个括号表示材料延性的热软化效应。式中，D1-D5是材料系数，由实验获得。*是静水压应力与等效应力的比值（应与柔性模型中的应力三轴度一样）等效应力定义为无量纲应变率*是有效塑性应变率与参考应变率（通常取1.0）的比值无量纲温度T-Tro7T - TT是当前温度，是环境温度，是熔点。在绝热环境下，假定所有的内部塑性 作用都转变成了温度的变化，如下：=美有效应力，一是有效塑性应变，是密度，是比热容。有效塑性应变定义如 下：有效塑性应变增量由塑性应变张量的增量决定:Johnson-Cook模型中，当损伤因子D达到1.0,就发生断裂。D的演化由等 效塑性应变增量除以当前失效应变的求和得到：Ductile damage model延性准则是用于预测由于孔隙成核、生长、集结引 起的损伤萌发的唯象模型。模型假设损伤发生时的等效塑性应变是应力三轴比和 应变率的函数：一（，9）应力三