第19章 累积损伤与失效

金属塑性材料损伤破坏萌生阶段建模功能：

? 用来预测金属材料损伤开始，包括冲、挤压和铸造的金属等材料。 ? 如19.2.3节“塑性金属的损伤演化与单元移除,” 中所述，与塑性金属材料的

损伤演化规律模型联合使用。 ? 允许多个损伤破坏产生准则的定义。

? 包括塑性准则、剪切准则、成形极限图（FLD）、成形极限压力图(FLSD)，

MSFLD和M-K等损伤产生的准则。

? 可以与Mises和Johnson-Cook塑性本构(塑性、剪切、FLD、FLSD、MSFLD

和M-K)一起使用。

? 可以与Hill和Drucker-Prager塑性本构（塑性、剪切、FLD、FLSD、MSFLD）

一起使用。

金属材料损伤破坏产生的断裂准则

导致金属塑性材料断裂的两个主要机制：由节点的集中，增长与接合导致韧性断裂；由局部剪切带引起的剪切断裂。基于现象学观测基础，这两个机制要求不同形式的损伤破坏发生准则（Hooputra et al., 2004）。Abaqus/Explicit支持的这些准则的功能形式将在下面讨论。如19.2.3节“塑性金属的损伤演化与单元移除,” 中所述，这些准则可以与塑性金属材料的损伤演化规律模型联合使用进行金属塑性材料断裂模型的建立。（参照Abaqus手册中2.1.16节，例子“Progressive failure analysis of thin-wall aluminum extrusion under quasi-static and dynamic loads。” ） 塑性准则

塑性准则是用来预测由节点的集中，增长与接合导致的损伤开始发生的现象学模型。模型中假定损伤开始时的等效塑性应变?D是关于三维应力和应变率的函数: ?D(?,?)

pl式中???p/q是应力三轴度，p是指压应力，q是Mises等效应力，?D是等效

??pl?.?plpl塑性应变率。当下面的情况成立时就达到了损伤开始发生的准则：

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第19章 累积损伤与失效

式中wD是随着塑性变形增加而单调递增的状态变量。分析过程中的每一次递增，增加量?wD是按以下式子计算的：

塑性准则可以与Mises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager塑性模型一起使用，包括状态方程。

输入文件的使用：应用下列选项作为一个列表功能来指定损伤开始时的等效塑性应变，列表中包括应力三轴度、应变速率和可选择性的加入温度和预定义的场变量。

*DAMAGEINITIATION,CRITERION=DUCTILE,DEPENDENCIES=n

Abaqus/CAE的使用：属性模块（Property module）：材质编辑器（material editor）：Mechanical→Damage for Ductile Metals→Ductile Damage

Johnson-Cook准则

Johnson-Cook准则是塑性判据的一种特殊情况，其中损伤开始时的等效塑性应变?D有以下形式：

?pl

式中d1?d5是失效参数，?0是参考应变率，?为无量纲温度，其定义为：

.?

式中?为当前温度，?melt为熔解温度，?transition是转变温度，等于或低于转变温度时就不再有依赖损伤应变?D的温度。材料参数必须在等于或者低于转变温度的

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?pl第19章 累积损伤与失效

环境下测得。

Johnson-Cook准则可以与Mises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager塑性模型一起使用，包括状态方程。当与Johnson-Cook塑性模型一起使用时，设置的熔化温度和转变温度的值应该保持与塑性模型中的值一致。Johnson-Cook损伤开始发生准则也可以与任何其他的准则一起使用，包括塑性准则；每个发生准则都相互独立。

输入文件的使用：使用下面的选项定义Johnson-Cook损伤开始发生准则中的参数。*DAMAGEINITIATION,CRITERION=JOHNSONCOOK

Abaqus/CAE的使用：属性模块（Property module）：材质编辑器（material editor）：Mechanical→Damage for Ductile Metals→Johnson-Cook Damage

剪切准则

剪切准则是用来预测由局部剪切带引起的损伤破坏开始产生的现象学模型。此模型假设损伤开始时的等效塑性应变?D是剪应力比和应变率的函数：

?pl

式中?s?(q?ksp)/?mas为剪应力比，?mas为最大剪应力，ks是材料参数。铝的ks典型值为ks?0.3（Hooputra et al.,2004）。当下式满足时就达到了损伤破坏开始的剪切准则：

式中ws是随着塑性变形单调递增的状态变量，而塑性变形与等效塑性应变的增量成正比。计算过程中每次递增，ws的增量由下式计算：

剪切准则可以与Mises,Johnson-Cook,Hill,和Drucker-Prager塑性模型一起使用，包括状态方程。

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第19章 累积损伤与失效

输入文件的使用：应用下面的选项设置ks，并用包括剪应力比、应变率、选择性的含有温度和预定义场变量的表格定义损伤开始发生时的等效塑性应变。

*DAMAGE INITIATION, CRITERION=SHEAR, KS= ,DEPENDENCIES=n

Abaqus/CAE的使用：属性模块（Property module）：材质编辑器（material editor）：Mechanical→Damage for Ductile Metals→Shear Damage

金属薄片失稳的损伤破坏发生准则

颈缩失稳是金属薄片变形过程中的决定性因素：局部颈缩区域的尺寸能够达到薄片厚度的程度，局部的颈缩会很快导致材料失效。局部颈缩不能使用在钣金变形计算中使用的传统壳单元来建模，因为颈缩尺寸能够达到单元厚度的程度。Abaqus/Explicit提供了四种预测钣金颈缩失稳损伤开始的准则：成形极限图（FLD）、成形极限压力图(FLSD)，MSFLD和M-K等损伤产生准则。这些准则只适用于平面应力计算单元（平面应力单元、壳单元、连续壳单元和薄膜单元）。对于其他类型的单元，Abaqus/Explicit忽略此类准则。颈缩失稳损伤开始准则可以与损伤演化模型（“塑性金属的损伤演化与单元移除,” 19.2.3节）一起使用来说明由颈缩引起的损伤。典型的应变成形极限图（FLDs）依赖于变形路径。变形模型的变化可能引起极限应变水平的很大改变。所以，如果分析中应变路径是非线性的，那么就要小心使用FLD损伤产生准则。在实际工业应用中，应变路径会因为多步成型操作、复杂形状的工具和界面摩擦等因素发生很大的变化。对于高度非线性应变路径的问题，Abaqus/Explicit提供了其他三种损伤开始发生准则:成形极限应力图（FLSD）准则、Müschenborn-Sonne成型极限图（MSFLD）准则和Marciniak-Kuczynski(M-K)准则。这些FLD损伤开始产生准则的替代准则旨在减少负载路径的依赖性。

Abaqus/Explicit中所有用于预测钣金损伤开始的有效准则的特性将在下面介绍。

成形极限图（FLD）准则

成形极限图是很有效的概念，Backofen Keeler(1964)介绍此概念用来确定材料颈缩失稳前能够承受的变形程度。钣金颈缩前能够承受的最大应变就是成形极限应变。成形极限图是成形极限应变在对数应变下的绘图。在随后的讨论中，主要和次要的极限应变分别指平面内主要极限主应变的最大值和最小值。主要极

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