理解主应力与最大剪切应力

Abaqus 的一大优势在于其强大的损伤建模功能，使工程师能够准确预测材料失效和退化。本文深入探讨了 Abaqus 中的损伤类型，并按材料和应用进行了分类，包括延性金属、牵引分离定律、纤维增强复合材料和弹性体。文中定义了每种损伤类型，并讨论了其应用，旨在帮助工程师和研究人员有效地利用 Abaqus。脆性断裂和延性断裂Abaqus 中的延性金属损伤类型延性金属（例如钢、铝和铜 ） 在失效前会经历显著的塑性变形。Abaqus 提供了多种损伤模型来捕捉其在各种载荷条件下的失效机制。以下是延性金属的主要损伤类型、其定义和应用。 1.1 延性损伤定义：延性损伤模型模拟延性金属在拉伸或压缩载荷作用下，由于孔洞形核、生长和聚结而导致的失效。该模型采用基于等效塑性应变和应力三轴性的损伤萌生准则，随后损伤演化，材料刚度逐渐降低，直至单元被删除。应用：汽车结构（例如汽车车架）的耐撞性分析。金属成型工艺（例如深拉、锻造）。承受高塑性变形的结构部件（例如管道、压力容器）。 1.2 Johnson-Cook损伤模型定义：Johnson-Cook 损伤模型是一个与温度和应变率相关的延性金属模型，它将塑性和损伤结合起来。该模型基于受应变率、温度和应力三轴性影响的累积损伤参数来定义损伤的萌生，损伤的演化最终导致断裂。应用：高速冲击模拟（例如，弹道对装甲的冲击）。机械加工过程（例如切割、钻孔）。承受动态载荷的航空航天部件（例如涡轮叶片）。 1.3 剪切损伤定义：剪切损伤是指韧性金属在剪切主导载荷作用下的失效。它采用基于剪切应变的损伤萌生准则，通常与韧性损伤相结合，并考虑剪切带的形成和材料性能的下降。应用：螺栓或铆钉接头（例如航空航天组件）的剪切破坏。涉及剪切主导变形的加工过程。承受剪切载荷的薄壁结构（例如飞机蒙皮）。 1.4 FLD 损伤（成形极限图损伤）定义：FLD 损伤预测金属板材在成形过程中的颈缩和失效。它使用成形极限图来定义临界主应变和次应变组合，当应变超过极限曲线时，损伤就会发生。应用：金属片成型（例如冲压、拉伸成型）。汽车车身面板制造。薄金属板局部颈缩的预测。 1.5 FLSD 损伤（成形极限应力图损伤）定义：FLSD 损伤扩展了 FLD 方法，采用基于应力的成形极限准则，该准则与路径无关，并考虑了复杂的载荷历史。它尤其适用于多阶段成形工艺。应用：多阶段金属板成型（例如，多步骤深拉）。汽车和航空航天钣金部件。具有非比例加载路径的过程。1.6 MK 伤害（Marciniak-Kuczynski 损伤）定义：Marciniak-Kuczynski (MK) 模型通过假设材料中存在初始缺陷（例如凹槽）来预测金属板的局部颈缩。当缺陷区域的应变达到临界值时，损伤开始发生，从而导致颈缩和失效。应用：板材成形模拟需要高精度的颈缩预测。汽车和家电制造（例如汽车引擎盖、冰箱面板）。材料成形极限研究。 1.7 MSFLD 损伤（改进的基于应力的成形极限图损伤）定义：MSFLD 损伤是 FLSD 的改进版本，引入了应变路径效应和材料各向异性等附加因素。它为预测复杂成形过程中的失效提供了更稳健的基于应力的准则。应用： 采用各向异性材料的先进金属板材成型。具有复杂几何形状的航空航天部件。需要在不同的应变路径下进行高保真故障预测的模拟。Abaqus 中牵引分离定律的损伤类型在 Abaqus 中，牵引-分离定律用于模拟粘结行为，例如粘结单元或表面中的胶接、分层或裂纹扩展。这些模型基于界面上的牵引力（应力）和分离力（位移）来定义损伤的萌生和演变。以下是牵引-分离定律的主要损伤类型。2.1 Quade 损伤（损伤萌生的二次名义应力准则）定义：当名义应力比（法向应力和剪应力）的二次函数达到临界值时，四次方损伤开始发生。它用于模拟粘性界面中的混合模式失效。应用：复合结构中的粘合剂粘合（例如粘合的飞机面板）。层压复合材料中的分层。脆性涂层的断裂。2.2 Maxe Damage（损伤萌生的最大名义应力准则）定义：当最大名义应力（法向或剪切）超过临界值时，Maxe 损伤开始发生。它比 Quade 损伤更简单，适用于单一失效模式为主的情况。应用：复合材料中的单模分层（例如，模式 I 开口）。简单粘合接头的粘合失效。薄膜中裂纹的萌生。2.3 四边形损伤（损伤萌生的二次名义应变准则）定义：四边形损伤使用名义应变比的二次函数来引发损伤，重点关注粘性界面中基于应变的失效。它适用于失效前变形较大的材料。应用：柔性复合材料或聚合物的分层。变形较大的粘合接头。软材料界面（例如生物粘合剂）。2.4 Maxs Damage（损伤萌生的最大应力标准）定义：当最大名义应变（法向或剪切）超过临界阈值时，Maxs 损伤开始发生。它与 Maxe 类似，但基于应变，适用于延性界面。应用：汽车组件中的延性粘合剂失效。软复合材料的内聚破坏。界面具有明显的塑性变形。2.5 Maxpe Damage（损伤萌生的最大主应变准则）定义：当粘结界面中的最大主应力超过临界值时，Maxpe 损伤开始发生。该损伤模型适用于脆性界面，因为主应力会导致界面破坏。应用：航空航天结构中的脆性粘合剂失效。陶瓷涂层中的裂纹扩展。高刚度复合材料中的分层。2.6 Maxps 损伤（损伤萌生的最大主应力准则）定义：当最大主应变超过临界阈值时，Maxps 损伤开始发生。它适用于应变失效占主导地位的界面，尤其适用于延性或柔性材料。应用：汽车或船舶应用中的柔性粘合接头。聚合物基复合材料中的分层。软质或弹性材料中的接口。纤维增强复合材料的损伤：Hashin 损伤定义：Hashin 损伤模型专为纤维增强复合材料设计，涵盖四种主要失效模式：纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸和基体压缩。该模型采用基于应力的准则来启动损伤，并采用退化定律来降低损伤区域的刚度。该模型考虑了复合材料的各向异性特性，广泛应用于层压结构。应用：航空航天部件（例如，飞机机翼、机身面板）。由玻璃或碳纤维复合材料制成的风力涡轮机叶片。汽车复合结构（例如碳纤维底盘、防撞结构）。体育用品（例如，复合自行车车架、网球拍）。弹性体的损伤：Mullins效应 定义：Mullins效应模拟弹性体（例如橡胶）在循环载荷作用下的应力软化行为。它捕捉了由于微观结构变化（例如链断裂或填料脱落）导致的首次载荷循环后刚度的降低。在 Abaqus 中，它以现象学模型的形式实现，其参数根据实验数据进行校准。应用：汽车和工业应用中的橡胶密封件和垫圈。轮胎设计和性能分析。柔性医疗器械（例如导管、植入物）。减震器和减震器。Abaqus 中损伤建模的实际考虑材料校准：所有损伤模型都需要精确的材料参数，这些参数必须使用实验数据（例如拉伸试验、剪切试验或循环载荷数据）进行校准。对于延展性金属，获取断裂应变和应力三轴度；对于复合材料，使用纤维和基体强度；对于弹性体，通过循环试验校准 Mullins 效应参数。网格敏感性：损伤模型（尤其是延性金属和粘性单元的损伤模型）依赖于网格。在关键区域使用细化网格，并考虑使用单元删除、粘性正则化或自适应网格划分等技术来提高收敛性和准确性。计算成本：复杂的损伤模型（例如 Hashin 模型、Johnson-Cook 模型）计算量巨大，尤其对于大规模模型而言。对于动态问题（例如撞击、碰撞），应选择显式求解器；对于准静态问题，应选择隐式求解器，以平衡效率和精度。验证：根据实验数据或实际数据验证模拟结果，确保可靠性。例如，将 FLD 模拟中预测的颈缩与成形极限试验进行比较，或使用复合材料试样试验验证 Hashin 损伤预测。模型选择：根据材料、载荷条件和失效机制选择合适的损伤模型。例如，对于高速率载荷，使用 Johnson-Cook 模型；对于复合材料，使用 Hashin 模型；对于界面失效，使用牵引分离定律。结论Abaqus 提供了一整套针对各种材料和应用的损伤模型，涵盖从延性金属到复合材料、粘结界面和弹性体等各种材料和应用。通过了解这些损伤类型（例如延性损伤、Johnson-Cook 效应、Hashin 效应和 Mullins 效应）的定义和应用，工程师可以准确预测材料失效、优化设计并提升结构性能。无论是模拟汽车耐撞性、航空航天复合材料、胶接接头还是橡胶部件，Abaqus 的损伤建模功能都能提供应对复杂工程挑战所需的工具。来源：ABAQUS仿真世界