第19章 累积损伤与失效

平面应力状态的单元

对于平面应力状态的单元（平面应力，壳单元，连续壳单元和薄膜单元）的刚度是均匀退化的，直到达到退化最大值Dmax。输出变量SDEG包括D的值。 一维应力状态的单元

一维应力状态的单元（桁架单元，螺纹，垫片作用的粘性单元）在张力的作用下，他们唯一的应力分量将会退化。在压缩载荷的作用下，材料刚度保持不变。所以应力定义为

??(1?Duni)?式中单轴损伤变量按下式计算：

?

在此情况下，Dmax决定了在单轴张力作用下允许退化的最大值。输出变量SDEG包括Duni的值。

带有螺纹的损伤模型的使用

使用包含螺纹定义的材料损伤模型是可以的。贡献于单元应力承载能力的基础材料按照本节前面所述行为衰减。贡献于单元应力承载能力的螺纹单元不会受到影响，除非定义的螺纹材料也发生了损伤。在这种情况下，贡献于单元应力承载能力的螺纹单元刚度在达到螺纹损伤开始准则后也衰减。对于默认的单元移除，当基础材料和螺纹截面的任何集中位置的刚度完全衰减时，单元从网格中移除。 单元

Abaqus/Explicit中塑性金属材料的损伤演化模型可以应用于所有与塑性金属损伤初始准则一起使用的单元。（“Damage initiation for ductile metals,”Section19.2.2)

33

第19章 累积损伤与失效

输出

除了Abaqus/Explicit中标准的可用有效输出，下面的变量在损伤演化定义中有特殊的含义：

STATUS 单元状态（如果单元是激活状态则单元状态为1.0,0.0表示不激活） SDEG 整体刚度退化量 其他参考

?Hillerborg, A., M. Modeer, and P. E. Petersson, “Analysis of Crack Formation and Crack Growth in Concrete by Means of Fracture Mechanics and Finite Elements,” Cement and Concrete Research,vol. 6, pp. 773–782, 1976.

34

第19章 累积损伤与失效

19.3 纤维增强复合材料的损伤与失效

? 纤维增强复合材料的损伤与失效：概论 19.3.1节 ? 纤维增强复合材料的损伤初始准则 19.3.2节 ? 纤维增强复合材料的损伤演化规律与单元移除 19.3.3节

19.3.1纤维增强复合材料的损伤与失效：概论

产品：Abaqus/Standard Abaqus/Explicit Abaqus/CAE 参考：

? “Progressive damage and failure,” Section 19.1.1

? “Damage initiation for?ber-reinforced composites,” Section 19.3.2 ? “Damage evolution and element removal for?ber-reinforced ? composites,” Section 19.3.3 ? *DAMAGE INITIATION ? *DAMAGE EVOLUTION ? *DAMAGE STABILIZATION

? “Hashin damage” in “De?ning damage,” Section 12.8.3 of the

Abaqus/CAE User’s Manual, in the online HTML version of this manual 概论

Abaqus提供一种损伤模型用于预测带有各向异性行为的弹-脆性材料的损伤产生与演化规律。这个模型因为通常表现出的这种行为，主要目的是与纤维增强材料一起使用。

此损伤模型要求以下定义：

? 未损伤时的材料属性必须是线弹性的（参照“线弹性行为”,第17.2.1节） ? 损伤初始产生准则（参照19.1.1节“累积损伤与失效”和19.3.2节“纤维

增强复合材料的损伤初始阶段”）

? 损伤演化规律，包括单元的选择性移除（参照19.1.1节“累积损伤与失效”

和19.3.3节“纤维增强复合材料的损伤演化与单元移除”）

35

第19章 累积损伤与失效

单向层损伤的基本概念

损伤的特点是材料刚度的逐渐减退。这在纤维增强复合材料的分析中有很重要的作用。很多这样的材料表现出弹-脆性行为，也就是材料在没有很大形变的情况下开始发生损伤。所以在建立此种材料的模型时，塑性被忽略。

假设纤维增强复合材料中的纤维是平行的，如图19.3.1-1所示。我们必须在用户定义的局部坐标系中定义材料属性。层位于1-2平面内，局部1的方向表示纤维方向。我们要用定义正交线弹性材料（参照“线弹性行为”17.2.1节）的方法来定义材料未损伤时的行为。最简单的方法是定义平面应力的正交材料（“线弹性材料”中的“定义平面应力的正交弹性材料”17.2.1节）。然而，材料行为也可以根据定义工程常数或直接定义弹性刚度矩阵的方法来定义。

图19.3.1-1 单向层

Abaqus支持的各向异性损伤模型基于Matzenmiller et. al(1995),Hashin and Rotem(1973),Hashin(1980),and Camanho and Davila(2002)的工作。

四种不同的失效模型： ? 拉伸载荷作用下的纤维破裂 ? 压缩载荷下的纤维屈曲和扭结 ? 横向拉伸和剪切载荷下的基体断裂 ? 横向压缩和剪切载荷下的基体破碎

在Abaqus中，损伤的开始是由Hashin（1980）和Rotem（1973）提出的损伤初始准则来决定的，准则中的失效面是由有效应力空间来表示的（可以有效承受力载荷的面上的应力）。这些准则的细节将在19.3.2节“纤维增强复合材料

36