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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    • 1. 损伤力学及其特点
      复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原组分材料的主要特色,又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联,从而获得新的优越性能,与一般材料的简单混合有本质的区别。
      损伤理论的研究方法之一,是连续介质力学的唯象方法。它是以材料的表观现象为依据,建立与损伤耦合的力学分析模型,通过力学和数学的分析与计算,获得所需的数值结果。国内外许多学者将材料中存在的微缺陷理解为连续的变量场(损伤场),用连续介质力学的概念和方法研究微缺陷的发展及其对材料力学能的影响,由此形成的损伤力学,有时又称为连续损伤力学。如前所述,物体内存在的损伤(微缺陷),可以理解为一种连续的场变量,它和应力、应变场以及温度场的慨念相类似。所以在分析时首先应在物体内某点处选取“体积元”,一并假定该体积元内的应力、应变以及损伤都是均匀分布的。
      这样就能在连续介质力学的框架内对损伤及其对材料力学性能的影响作系统的处理。其过程一般可分为以下四个阶段:(1)选择合适的损伤变量;(2)建立损伤演变方程;(3)建立考虑材料损伤的本构关系,这种包含了损伤变量的本构关系,即损伤本构关系或损伤本构方程,在耦合计算中占有重要地位,起着关键或核心的作用;(4)根据初始条件(包含初始损伤)和边界条件求解材料各点的应力、应变和损伤值。
      2.断裂力学及其特点
      材料断裂行为的理论依据断裂力学作为研究作为一门真正的学科是从1957年G.R.Irwin提出应力强度因子开始的。其发展异常迅速,是目前固体力学中最活跃的的一个分支,对于诸如金属物理,冶金学,材料科学及航空,机械,建筑和地震工程等工程技术部门都产生了巨大的影响,显示出了它强大的生命力,并被广泛地用来解决各种工程实际问题。在国内外有不少应用断裂力学颇为成功的例子,有不少国家和部门甚至已根据断裂力学来制定设计标准和验收规范了。
      由于线弹性断裂力学是建立在线弹性力学基础上的,所以对于工程中大量使用的诸如中、低碳钢等具有较好塑性的材料并不适合,因为这些材料在裂纹发生扩展前,在裂纹前缘将出现一个较大的塑性区。此塑性区的尺寸甚至超过了裂纹的本身尺寸,有时候甚至达到整体屈服。如果在裂纹扩展前,其前缘的塑性区尺寸已达到或者接近裂纹本身尺寸,那么在断裂力学中就将其划到大范围屈服断裂范畴。如果在裂纹扩展前已发展到整体屈服了的情况,那就属于全面屈服断裂范畴了。对于这种大范围屈服断裂或全面屈服断裂问题就不能采用线性弹性来进行分析了,必须代之以弹塑性断裂力学。
      弹塑性断裂力学和线弹性断裂力学不同,它以弹塑性力学为基础。和线弹性力学相比弹塑性断裂力学在理论上要困难的多,也更加不成熟,近几十年来,在这方面展开了大量的研究工作。目前用于弹塑性断裂力学研究的最主要方法是J积分法和COD法。
      由能量守恒与断裂判据现代断裂力学能以裂纹尖端区域为研究对象,找到表征裂纹尖端扩展强度的参量。但在20世纪50年代以前,学者们仅能用能量的观点建立带裂纹构件断裂判据(利用整体的能量变化研究局部裂纹)能量守恒定律建立的断裂判据——经典的断裂理论。Griffith能量释放观点:裂纹扩展过程中,裂纹尖端区释放出来的能量全部用来形成新的裂纹面积。这里应注意到这样的一个事实,一块受应力作用的平板,具有裂纹后,该裂纹就有扩展的趋势。能量释放率G是指裂纹由某一端点向前扩展一个单位长度时,平板每单位厚度所释放出来的能量。 

       

    • ABAQUS针对断裂力学的失效分析具有很好的解决方案,不仅可以评估裂纹尖端的应力场强度因子K、J积分或T应力等断裂力学参数,还可以根据不同的判据和方法实现不同的判据进行裂纹起始和扩展过程的数值模拟。具体包括:
      1、通过Seam预置裂纹实现断裂力学参数评估
      可以根据ABAQUS处理裂纹问题采用围线积分的方法进行直接求解裂纹尖端的断裂力学参数,用定义seam的方法来预设裂纹扩展路径,随着载荷的施加,裂纹会沿seam扩展。该方法可以模拟裂纹尖端的奇异性(通过在ABAQUS中设置实现),能很方便的计算出应力强度因子K、J积分等断裂力学参数,但是需要后处理的输出变量进行简单的数据处理。
      为了计算准确,断裂力学参数的评估使用一个积分域,该积分域由环绕裂纹尖端(Tip对于二维)或裂纹沿线(Line对于三维)的一块面积或体积组成。二维模型中,ABAQUS定义的裂纹尖端围线积分域;三维模型中,ABAQUS定义的裂纹沿线围线积分域。
        
      2、采用Debond方法和VCCT方法进行裂纹扩展过程分析
      (1)Debond方法结合三种常用断裂判据
      对于裂纹形成、扩展以及连接的计算,可以采用Debond命令进行模拟计算,DEBOND是一种较早的实现裂纹扩展过程模拟分析的方法,该方法主要用于二维的模型建模分析,并结合五种裂纹扩展判据,Critical stress,Critical crack opening displacement,Crack length versus time,VCCT,Low-cycle fatigue进行裂纹扩展过程的数值模拟:
      用debond命令实现裂纹开裂,多用于可以预制裂纹扩展路径的情况下,比如层合板,为了观察开裂需要在指定的路径上定义一个集合,这种方法简单,但实际应用范围相当有限,具体可以实现Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit初始粘结裂纹表面的裂纹扩展分析。即使多裂纹存在的情况,五种裂纹判据亦只有VCCT适用于Abaqus/Explicit中。
      (2)Debond方法结合VCCT断裂判据
      ABAQUS软件扩充了波音公司从事裂纹研究的专利成果——虚拟裂纹闭合技术(VCCT),可以结合同Debonding命令关键字结合使用,与Cohesive单元的应用具有很好的可比性与互补性。该过程为裂纹求解问题的核心求解部分,另外还可以将Debond关键字与疲劳失效分析结合起来(在后面介绍)。该判据同时适用于Abaqus/Standard 和Abaqus/Explicit。
      VCCT的开发主要用于航空器复合材料的失效分析,其应用可以大幅度降低层压的复合材料结构件,大型的粘结结构件的工程应用成本。在主要的结构中,铺层间的胶层和界面需要确定其层间载荷,此外,损伤容限要求胶层和界面件能够承载的损伤。
      复合材料的损伤分析要求应用线弹性断裂力学(Linear Elastic Fracture Mechanics,LEFM)到胶层和界面上,因此适用于沿着预定义表面的裂纹扩展问题。具体表现在2D和3D的分层分析,裂纹扩展,分离模式,多裂纹扩展,后屈曲等的非线性行为,复合材料结构,一些实际工程问题。
      3、材料的损伤与损伤演化、紧固件失效、摩擦磨损以及腐蚀烧蚀
      (1)金属材料的损伤与损伤演化
      ABAQUS提供了一种通用的模拟工程材料和结构的累计损伤和失效的方法,即材料的失效取决于由于材料刚度的累计退化,结构的承载能力完全丧失;采用损伤力学的方法模拟刚度的下降。累计损伤和失效可以用于连续介质力学行为的韧性材料、纤维增强复合材料以及界面材料(包括采用traction-separation准则定义的cohesive单元和cohesive单元的损伤失效行为)
      其中对于韧性材料的失效有两种不同的失效类型:
      ①金属材料的韧性失效,包括孔洞的形核、扩展和连接以及剪切带的局部效应;
      ②钣金成型中的颈缩失稳,包括成型极限图(Forming Limit Diagrams)和Marciniak-Kuczynski判据(M-K criterion);
      (2)纤维增强复合材料的损伤与损伤演化
      ABAQUS提供了一种通用的模拟纤维增强复合材料和结构的累计损伤和失效的方法,即材料的失效取决于由于材料刚度的累计退化,结构的承载能力完全丧失;采用损伤力学的方法模拟刚度的下降;模型必须采用平面应力单元进行建模(plane stress, shell, continuum shell, and membrane elements)。四种不同的失效模式可以在分析考虑,即拉伸状况下纤维断裂;压缩状况下纤维屈曲和扭转;在横向拉伸和剪切作用下的基体裂纹以及在横向拉伸和剪切作用下的基体破碎。
      (3)紧固件失效
      焊接点连接是一种重要的连接方式,ABAQUS可以实现焊点或铆接等点紧固件的合规和失效的分析。紧固件失效建模需要将塑性和累计损伤结合在一起,相应取决于载荷角。
      (4)摩擦磨损以及腐蚀烧蚀失效行为
      Abaqus/Standard中材料的摩擦磨损和腐蚀烧蚀等也可以在一个或多个表面位置建模实现;该功能还可以实现体表面的磨损和腐蚀行为;基本的分析思路是当逐渐远离表面时侵蚀材料(此时单元具有相同的节点和拓扑关系)。具体的方法包括网格重划分,通过任意的Lagrangian-Eulerian技术(ALE)实现状态映射处理。采用用户界面中已经存在的自使用网格模块定义网格行为。
      其主要应用范围是
      岩土工程:钻井过程排沙
      航空航天:火箭发动机的烧蚀(复合材料裂解和碳化),固体火箭推进器等
      汽车工程:轮胎磨损,刹车盘磨损等;
      制造行业:机械加工
      4、Cohesive力学行为模拟裂纹扩展
      (1)Cohesive力学行为历史背景
      cohesive的力学行为在模拟adhesives, bonded interfaces, and gaskets时非常有用:可用于模拟两个初始粘结表面的分离;粘结剂的累计失效以及复合材料的开裂失效;
      采用宏观的cohesive法则的理想化复合型断裂机理涉及到界面分析的牵引问题。cohesive的力学行为包括:基于单元的cohesive力学行为(采用cohesive单元建模)和基于表面的cohesive的力学行为(Abaqus/Standard中采用接触对建模,Abaqus/Explicit采用通用接触建模)。
      (2)基于单元的Cohesive力学行为
      基于单元的cohesive行为即cohesive单元,允许实现非常详细的粘结剂连接的模拟,包括详细的adhesive的材料属性,连接网格的直接控制,有限厚度的adhesive的建模等;ABAQUS中cohesive单元主要解决两个类型的问题,即adhesive接点失效:有限厚度的粘结层,典型的块体材料属性已知;分层失效问题:区域厚度的粘结层,典型的块体材料属性未知;
      (3)基于表面的Cohesive力学行为
      基于单元的cohesive行为即cohesive表面,是一种非常简单和容易的模拟cohesive连接的方法,使用traction-separation接面行为。
      用cohesive单元或cohesive界面,通过设置damage initiation和evolution准则等相关参数实现裂纹问题的模拟,同时,ABAQUS提供了多种准则可供选择,后处理时通过display group可以观察裂纹扩展情况。此功能用途较广,而且通过在ABAQUS平台上开发可实现多裂纹扩展的模拟。
      5、低周疲劳损伤失效与断裂失效
      (1)ABAQUS低周疲劳分析简介
      低周疲劳分析是结构遭受亚临界循环载荷作用下的准静态分析,该载荷可以是热载荷也可以是机械载荷。ABAQUS模拟低周疲劳载荷有两种方式:块体韧性材料(损伤起始与损伤演化)和材料界面(裂纹起始与扩展过程分析);
      低周疲劳分析使用直接循环方法可以直接得到结构的稳态循环响应分析;直接循环方法结合傅里叶级数近似与非线性材料行为的时间积分相结合,通过修正的牛顿方法进行迭代获得稳态的循环求解方法;用户可以控制傅里叶项的个数,迭代次数以及在整个循环时间周期中的时间增量以提高计算精度;在每一个循环载荷中,假定几何是先线性的并且接触条件固定;几何非线性仅仅在直接循环分析步之前的任意分析步中包括。
      (2)块体韧性材料的低周疲劳分析
      Abaqus/Standard提供了一种通用的方法对于模拟由于应力回复作用下的韧性材料的累计损伤和失效,并且当材料遭受亚临界循环载荷时,非弹性应变能不断的累加。
      (3)材料界面的低周疲劳分析
      亚临界循环载荷作用下,复合材料分层扩展是航空工业中普遍关注的问题。ABAQUS中低周疲劳判据可以模拟层合板的复合材料遭受亚临界循环载荷作用界面位置的累计分层扩展。沿着分层或裂纹扩展的方向界面必须在模型中指定,在界面位置疲劳分析的起始和增长通过相对的断裂能释放率进行表征,裂纹尖端单元的断裂能释放率可以基于VCCT技术进行计算。
      6、XFEM——拓展有限元方法
      传统有限元单元法创建像裂纹这样的稳定的不连续,需要网格与几何的不连续一致,因此,需要相当大的网格细化在裂纹的尖端以充分捕获奇异的渐进场。创建一个增长的裂纹更加繁琐、冗余,因为当裂纹扩展时,网格必须连续的更新以匹配不连续的几何模型。
      拓展有限元方法缓解与划分裂纹表面相关的这一缺陷。拓展有限元方法首先由Belytschko和Black(1999)引入。这是基于Melenk和Babuska(1996)提出的单元分割的概念实现的对传统有限单元方法的扩展,该方法允许局部强化函数被合并到有限单元的近似。不连续的表现通过特殊的强化函数结合额外的自由度被确保实现。然而,有限单元框架和他的属性如稀疏性和对称性仍然被保留。
      ABAQUS V6.9及其以后的版本将拓展有限元方法引入到其分析中,并增加了新的模块XFEM,该方法可以认为是有限元方法处理不连续问题的革命性变革。这是第一个将XFEM商用化的软件。
      一些先进的方法,如初始裂纹的定义非常简单,网格的生成与裂纹无关,几何的剖分不需要出现在裂纹的位置等;材料非线性和几何非线性都可以使用;任意的和求解相关的饿裂纹起始和扩展路径,裂纹的扩展路径不需要事先定义;网格细化研究更加简单,减少重划分的影响;由于奇异裂纹尖端enrichment的使用,对于有限元求解过程具有更好的收敛率。

       

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