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ANSYS材料损伤与失效分析

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发表时间：2025-03-07 16:15

状态分离

结构由原来的稳定状态突变为不稳定状态

损伤

表现为某种材料在载荷作用下出现损伤失效（Damage）

失效
内聚力分离

表现为存在接触的模型在载荷作用下出现分离（Debonding）

断裂

表现为结构初始裂纹引起的断裂破坏

生死单元

表现为在一定条件下某些单元被杀死（Kill）或（Live）

损伤与失效

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材料损伤和材料失效是材料科学和工程领域中的两个相关但有所区别的概念：

损伤是指材料因受到各种形式的应力、环境因素或使用过程中的磨损而导致的微观或宏观上的变化。这些变化可以是临时的也可能是永久的，包括裂纹、划痕、腐蚀点、变形等。
损伤往往是失效的前兆，它降低了材料或结构的完整性，但不一定导致其立即失效
损伤可以是局部的，即只影响材料的一部分。
损伤可以通过检测和维护措施被发现并修复，从而延长材料或结构的服务寿命。
失效指的是材料或结构无法再满足其预定功能的状态。这是损伤累积到一定程度，或者某种关键损伤发生的后果。
当材料或结构失效时，它们可能完全破裂、丧失承载能力、无法正常工作，或者其性能下降到不足以保证安全或效率的水平。
失效是最终的结果，它涵盖了从轻微的功能退化到完全破坏的整个范围。失效可能是突发的，如瞬时断裂，也可能是渐进的，如疲劳导致的裂纹扩展。
简而言之，损伤是材料状态的变化，是失效过程中的一个阶段或环节，而失效是损伤累积达到不可接受程度的结果，标志着材料或结构不再能够执行其设计任务。

材料本构

WB损伤与失效相关材料

损伤

● 实体损伤失效分析一般表现为材料的初始损伤的萌生和损伤的扩展

● 材料本构为线弹性正交异性材料，本构模型为

◇ Damage Initiation Criteria

◆ 用于定义材料损伤的初始类型

◇ Damage Evolution Law

◆ 用于定义初始损伤之后的材料损伤演化规律或材料降解的方法

◇ Material Strength Limits

◆ 用于定义材料在损伤之前所承受的最大应力或应变

Damage Initiation Criteria

◆ 该数据表定义了确定荷载作用下材料损伤开始的标准类型。

◆ 拉伸纤维失效模式的失效标准类型

◆ 压缩纤维失效模式的失效标准类型

◆ 拉伸基体失效模式的失效标准类型

◆ 压缩基体失效模式的失效标准类型

◆ 最大应变

◆ 最大应力

◆ Puck准则

◆ 哈希准则

◆ LaRc03准则

◆ LaRc04准则

Damage Evolution Law
为了完成材料损伤的定义，还需要指定一个兼容的材料损伤演化规律（TB，DMGE）。如果没有损伤演化规律，损伤萌生标准对材料没有影响。
◆ MPDG
◆ CDM

Damage Evolution Law
◆ MPDG
◆ 有效值为>=0和<=1
◆ 其中0=损伤开始后，受影响模式下的材料刚度没有降低
◆ 1=受影响模式中的完全刚度损失

Damage Evolution Law
◆ CDM

失效

材料失效准则用于预测和评估材料在特定条件下的失效行为。

常见的材料失效准则：

延性材料和脆性材料的失效准则：
◆ 延性材料如金属，其失效准则主要基于延展量（应变）达到一定值，通常为5%或以上。
◆ 脆性材料的失效准则则与材料的断裂阻抗有关，如拉伸和压缩条件下的极限强度。
复合材料的失效准则：复合材料可能涉及多种失效模式，如拉伸失效、压缩失效、剪切失效等。
常用的失效准则包括最大应力准则、蔡–希尔（Tsai-Hill）准则、蔡–胡（Tsai-Wu）准则等。
特定条件下的失效准则：例如，玻璃材料在结构仿真中的失效准则，可能需要考虑有效塑性应变、位移和应变能等因素。
工程结构材料的失效准则：对于工程结构中使用的材料，失效准则可能更加复杂，需要综合考虑材料的应力状态、环境条件、加载历史等因素。例如，《工程结构材料失效准则》书籍中提到的脆性及准脆性、韧性、界面、疲劳、蠕变及腐蚀等工程失效形式及其耦合场景下的失效准则。
经验及现有准则的比较：《工程结构材料失效准则》还提到了与一些经验及现有准则的比较，说明了在不同应力状态及环境条件下，同一材料可能具有不同的失效形式和机理，需要采用不同的失效准则。
总结来说，材料失效准则是根据材料的力学性能、应力状态和环境条件来确定的，目的是为了评估材料在特定条件下的安全性和可靠性。不同的失效准则适用于不同的材料类型和服役环境，因此在选择和应用失效准则时需要综合考虑各种因素。
Workbench提供的失效准则如下

Plastic Strain Failure
◆ 塑性应变失效可用于模拟材料的延性失效。
◆ 失效起始是基于材料中的有效塑性应变。用户输入最大塑性应变值。如果材料有效塑性应变大于用户定义的最大值，则发生失效。
◆ 材料瞬间失效。
◆ 注：该失效模型必须与塑性或脆性强度模型结合使用。
Principal Stress Failure
主应力失效可以用来表示材料的脆性失效。
故障启动基于以下两个标准之一
◆ 最大主拉应力
◆ 最大剪切应力（源自主应力的最大差值）当满足上述任一标准时，将启动故障。
材料瞬间失效。
注：如果该模型与塑性模型一起使用，通常建议通过指定一个大值来取消最大剪切应力标准。在这种情况下，剪切响应将由塑性模型处理。
Principal Strain Failure
主应变失效可以用来表示材料的脆性失效。
故障启动基于以下两个标准之一
◆ 最大主拉应变
◆ 最大剪切应变（源自主变力的最大差值）当满足上述任一标准时，将启动故障。
材料瞬间失效。
注：如果该模型与塑性模型一起使用，通常建议通过指定一个大值来取消最大剪切变力标准。在这种情况下，剪切响应将由塑性模型处理。
TensilePressure Failure
拉伸压力失效模型允许指定最大流体力学拉伸极限。这用于表示材料的动态剥落（或空化）强度。该算法简单地将材料中的最大拉伸压力限制为
如果材料压力P小于规定的最大拉伸压力，则发生失效。
材料瞬间失效。
如果材料定义包含损伤演化规律，则随着损伤从0.0增加到1.0，用户定义的最大拉伸压力将按比例缩小。
Johnson-Cook Failure
Johnson-Cook失效模型可用于模拟经历大压力、应变速率和温度的材料的延性失效。
该模型的构建方式与Johnson Cook塑性模型相似，因为它由三个独立项组成，这些项将动态断裂应变定义为压力、应变速率和温度的函数：