LS-DYNA材料及结构Gissmo失效模型工程应用浅谈

一、背景概述

失效模拟是汽车工程中预测和预防结构/材料失效的核心技术手段。

1、失效模拟的三大核心场景

2、主流失效模拟方法

1）. 宏观尺度方法

• 失效准则法

• 最大主应力准则（脆性材料）

• Von Mises屈服准则（金属塑性失效）

• Hashin准则（复合材料分层）

• 常用准则：

• 工具实现：

  # LS-DYNA MAT_ADD_EROSION关键字示例（应变失效）

  *MAT_ADD_EROSION

  MID, 1, 0.2, 0.0, 0.0  # 当等效塑性应变＞0.2时单元删除

• 损伤力学法

• Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）模型：用于孔洞型损伤

• Johnson-Cook损伤模型：高应变率失效

• 模型：

• 参数标定：需结合试验（如缺口拉伸试件）获取损伤参数d₁~d₅。

2）. 细观尺度方法

• 晶体塑性有限元（CPFEM）

• 模拟晶粒尺度滑移带引发的失效

• 工具：DAMASK、ABAQUS Crystal Plasticity UMAT

• 案例：预测双相钢（DP980）微观裂纹萌生位置

• 扩展有限元法（XFEM）

• 优势：无需预设裂纹路径

• 设置示例（ABAQUS）：

  *FRACTURE CRITERION, TYPE=MAXS

  *XFEM, MAXPS=0.25  # 当最大主应力＞0.25GPa时启裂

3）. 多尺度耦合方法

• 流程：
  宏观FEA获取热点 → 子模型微观分析 → 数据传递回宏观模型

• 工具链：
  ANSYS Workbench + Digimat（材料微观建模）

2、典型失效模拟流程（以电池包挤压为例）

1. 前处理

• 壳体（AA6061-T6）：Johnson-Cook塑性+损伤参数

• 电芯：Foam模型（可压缩泡沫）

• 几何清理：保留倒角等应力集中 特征（最小网格尺寸≤1mm）

• 材料定义：

2. 边界条件

• 挤压头速度：10mm/s（参照GB 38031-2020）

• 接触设置：壳体自接触（*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE）

3. 求解设置

• 显式动力学（LS-DYNA）：时间步长1e-6s

• 失效判据：

  *DATABASE_ELOUT

  STRESS, PLASTIC_STRAIN, DAMAGE  # 输出损伤变量

4. 3、关键参数获取方法

4、行业应用案例

• 案例1：白车身碰撞失效

• 问题：25%偏置碰时A柱焊点断裂

• 模拟：LS-DYNA GTN模型再现焊点撕裂过程

• 改进：优化焊点间距（80mm→60mm），通过C-NCAP测试

• 案例2：铝合金控制臂疲劳

• 方法：FE-SAFE + E-N曲线，预测裂纹萌生位置

• 结果：形貌优化后寿命从1.5×10⁵次提升至4×10⁵次

5、前沿技术趋势

1. 物理信息神经网络（PINN）

• 用AI加速损伤演化计算（如特斯拉替代传统GTN模型）

2. 数字孪生失效预警

• 实时传感器数据驱动仿真更新（博世底盘监测系统）

3. 量子计算应用

• 大众集团探索量子算法求解裂纹扩展方程

6、工程师实践建议

1. 网格敏感性分析：确保失效预测结果不依赖网格尺寸（建议做3种网格对比）

2. 试验对标必须：至少用3组试验数据校正模型（误差＜15%）

3. 失效判据选择：

• 金属塑性失效 → Johnson-Cook

• 复合材料 → Hashin

• 焊接接头 → 应力三轴度+Lode参数联合判据

7、总结

失效模拟正从 "经验判断" 转向 "多尺度高精度预测"，未来技术突破点在于：

1. 多物理场耦合（热-力-化学协同作用）

2. 不确定性量化（材料参数分散性影响）

3. 云端协同仿真（整车级失效模拟时效＜4小时）

掌握先进失效模拟技术，可降低30%以上物理验证成本，是未来智能汽车开发的必备能力。

    CAE在各行各业的进程中应用愈加广泛，尤其是汽车行业，如主机厂、零部件企业、新能源企业等。随着CAE技术的快速发展，CAE在产品开中的应用场景也越来越多，传统的一些仿真模拟方法的精度不能满足要求，如碰撞仿真、冲击、挤压、动态球击等工况，在极限载荷下结构件容易出现失效断裂，这种断裂在有些情况下是可以接受的，也是必须的（如前正碰撞过程副车架也车身连接后螺栓需要剪断，进而保护乘员安全）；但很多情况是不允许出现断裂失效，否则会出现安全问题。

图1 某整车正面碰撞图

图2 某正碰过程中副车架螺栓断裂图

图3 某新能源动力电池边框挤压失效图

   全球钢铁行业工程研究显示，新的先进高强度钢与现代工程设计和计算机辅助工程（CAE）工具的结合使用可以减少25%的车辆零部件。根据不同的碰撞载荷要求，新型的钢材发挥着重要作用。如通常使用双相或TRIP钢来确保在前部和后部压溃区结构中吸收高能量，而其他高强度钢则用于抵御侧面冲击和车顶的压溃，进而实现性能及重量的平衡。

图4 钢材的性能发展演变图

二、当前主流的失效类型

如何在当前更加准确的模拟出断裂情形，方法有很多种，如发展出来的各种断裂失效模型（如JC失效模型、GISSMO失效模型、MMC模型等）也在各行各业的产品开发发挥着重要作用。

目前常用的断裂失效准则既包括：          
1）最大主应力失效          
2）最大等效塑性应变失效等简单常值失效判据          
3）成形极限曲线 ( Forming Limit Curve，FLC) 或成形极限图(Form-ing Limit Diagram，FLD)          
4）Johnson-Cook损伤模型 ( JC 损伤模型)          
5）损伤起始与演化准则( Damage Initiation and Evolution Criteria，DIEC)          
6）修正的 Mohr-Coulomb 模型 ( Modified Mohr-Coulomb，MMC)      
7）CrachFEM模型          
8）Gissmo失效模型等。其中使用相对比较广泛的为1）、2）、4）和8）等，其中1）和2）为常应力或应变失效，适用于恒定载荷加载；而Johnson-Cook 断裂准则以线性方式计算损伤积累，对于高速冲击或碰撞精度相对一般；Gissmo失效模型考虑了非线性损伤累积方式和等效应力与损伤之间的耦合，适合复杂工况下的断裂失效表征。当 GISSMO 损伤模型中的断裂极限曲线取为MMC 或 JC 模型断裂极限曲线，损伤累积方式为线性，且不考虑材料软化、失稳时，GISSMO 损伤模型自动退化为 MMC 或 JC 损伤模型。

三、GISSMO失效模型简介

Gissmo一种唯象损伤力学模型，以非线性损伤累积的方式描述材料从变形到破坏的整个过程，而不用追究损伤的物理背景和材料内部微观结构变化。由于同时考虑了材料在不同应力状态下的失效应变以及应变路径对失效的影响和非线性损伤积累方式，适用于超高强钢板材在复杂工况下的断裂行为表征。  
  Gissmo涉及的相关理论非常多，涉及的相关参数也非常丰富，如应力三轴度、失效应变、不稳定性应变、损伤累积指数、应力退化指数、软化指数、中面失效、应变率、网格尺寸等。

Gissmo失效模型是基于材料开发的一种失效模型，材料的力学性能测试及转换至关重要，如测试得到的工程应力应变如何转换成真实应力应变，以及塑性应变等；同时得到的数据如何通过硬化公式外推等等这些都是最基础，也是最重要的。

以下是工程应力应变与真实应力应变的转换公式，如下所示。

1、工程与真实应力的关系

1）工程应力

指在拉伸或压缩试验过程中，施加在样件的载荷除以样件的初始横截面积：

式中σe为工程应力，A0为样件初始截面积。

2）真实应力

指在拉伸或压缩试验过程中，施加在样件的载荷除以实际截面积。

式中σt为真实应力，A为样件当前实际截面积。

3）真实应力与工程应力的关系

根据样件拉伸过程中塑性阶段的体积不变假设，即Al=A0 l0，即

2、工程与真实应变的关系

1）工程应变

指样件标距范围内的伸长量除以标距的初始值：

式中εe为工程应变，∆l为样件的长度变化量。

四、GISSMO失效模型的关键参数

图5 某样件准静态拉伸失效对比图

GISSMO主要的失效相关方程及参数有以下：

（1）损伤的定义

金属韧性材料的断裂过程实质上是微孔洞的成核、长大、聚合及开裂的过程，此时的损伤累积D会对材料的本构关系产生重要影响，其定义如下：

图6 损伤定义图

假设总面积S对应的应力为σ∗，有效承载面积S ̂的应力为σ，那么：

σ∗≤σ，进一步可得：σ∗=σ（1-D)

由上式可知，在样件拉伸过程中，样件有效截面积S不断减小；当有效承载面积S为0时，此时的D为1，即损伤达到1时，样件断裂。

（2）损伤增量公式的定义

在GISSMO模型中，损伤的表达式如下所示：

损伤增量的表达式如下：

对损伤增量进行积分后，可得总的损伤：

在软件中采用的损伤增量表达式如下：

=

上式中表示损伤增量，表示不同应力状态下的失效应变，n为损伤累积指数，表示真实的等效塑性应变增量。

当损伤D为1时，材料失效，单元删除。

（3）不稳定性增量公式的定义

当材料开始出现颈缩时，表现出材料的不稳定性，采用类似损伤增量的关系式来表征材料的不稳定性，如下式所示。即当稳定性因子F为1时，损伤与应力开始耦合，常见的材料不稳定性主要表现为扩散颈缩和局部颈缩。

上式中表示稳定性变量增量，表示不同应力状态下的材料出现不稳定性变形时的局部等效塑性应变，n为损伤累积指数，表示真实的等效塑性应变增量。

（4）应力耦合公式的定义

随着外力的继续加载，损伤不断增大，而宏观应力不断减小，当损伤为1时，材料失效，裂纹产生，损伤与应力耦合的关系图如下所示。从图中可以看出当材料达到临界应变后，即F=1，此时的应变即为GISSMO中的ECRIT，此时的损伤将会储存到DCRIT中；在此之后，损伤不断增大，宏观应力表现出明显的下降，刚度开始退化，当损伤达到1时，材料断裂，宏观应力为0，宏观应力与损伤的耦合表达式如下所示。

图7 损伤与应力耦合关系图

图8 损伤与应力耦合结果图

图9 GISSMO中LCREGD结果图

五、GISSMO参数小结

GISSMO涉及的相关参数非常多，其主要的三个公式如上所示，分别为损伤增量公式、不稳定性公式及损伤与应力耦合公式。  

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