ABAQUS复合材料失效与断裂

失效模式

• 复合材料有两种基本失效模式：

• 拉伸、压缩、或剪切下的单层失效

• 层间分层失效  

损伤失效准则与应用

• 单层失效

  ▌平面内失效模式依赖于应力和应变相对于增强方向的分布和方向。 结果，首先失效未必发生在极限层上。因此，需要对所有层进行失效监控。

  ▌单层失效可由于下面任意一个或所有失效模式引起：

  √ 纤维拉伸和纤维压缩失效模式

  √ 基体拉伸和基体压缩失效模式

  ▌单层失效模式可慢慢发生，并可以互相影响，因此非常难于模拟初始失效后层叠板的特性。

  ▌常用分析只能判断首次失效点。

  ▌Abaqus提供了5个标准平面应力各项正交异性失效策略。

  ▌这种失效策略仅用于后处理输出请求，不会导致任何材料退化。

  ▌所有失效策略令失效值在0到1，如果大于或等于1则认为已失效。

  ▌Abaqus还提供了损伤模型，可以预测损伤的开始和损伤的扩展。可以考虑到所有四种单层失效模式
  

• 通过弹性材料属性的子选项定义失效准则，Abaqus采用1和2表示正交各向异性材料的方向，1方向与纤维方向相同，2方向是纤维的横向。
  

• 基于应力的失效选项，在1方向和2方向定义拉伸和压缩应力极限；剪切强度在1-2组成的平面；如果没有双轴应力极限指定，可通过缩放因子F12定义Tsai-Wu系数；双轴应力极限。

• 基于应变的失效选项，在1和2方向定义拉伸和压缩应变极限，和1-2平面内的剪切应变极限。

• 失效理论

• 应力失效理论

  ▌最大应力理论

  ▌Tsai-Hill理论

  ▌Tsai-Wu理论

  ▌Azzi-Tsai-Hill理论

• 应变失效理论

  ▌最大应变失效理论

• 最大应力失效理论：这是最简单的应力失效模型。通过对比每一个应力分量与相应的应力极限来衡量。

最大应力失效要求.

• 如果s11 > 0, 设 X = Xt ; 否则, 设 X = Xc

• 如果 s22 > 0, 设 Y = Yt; 否则, 设 Y = Yc

• 这个理论没有考虑不同方向应力分量的相互作用，准确性存在限制

• Tsai-Hill理论

  ▌Tsai-Hill失效准则要求

• 如果s11 > 0, 设 X = Xt ; 否则, 设 X = Xc

• 如果 s22 > 0, 设 Y = Yt; 否则, 设 Y = Yc

• Tsai-Wu理论

  ▌Tsai-Wu失效准则提供了Tsai-Hill准则的光滑形式。采用附加参数（ F12 ），Abaqus中可通过指定 f * 或 s biax定义。

  ▌Tsai-Wu失效准则要求

如果给定s _biax

否则

-1<f*<1   默认为0

• 如果F12 = 0 ，Tsai-Wu模型与Tsai-Hill模型的对比如下：

• 选择合适的F12值，可略微改变分析结果与试验数据的对比精度，但通常改变不大。

Azzi-Tsai-Hill理论

▌Azzi-Tsai-Hill失效理论与Tsai-Hill理论相同，除过交叉项考虑绝对值

• 应变失效理论

• 最大应变失效理论

  ▌这是一个简单的模型，通过最大应变分量相对于相应的应变极限定义失效。

▌实验对比表明，本模型在通用应变状态下不能像最大应力失效那样给出更精确的结果。

输出

• 输出失效指标

• 当定义了失效，需要定义输出，Abaqus输出失效指数R。

• 每一个应力失效理论定义一个围绕着原点的三维空间{s11, s22, s12 }失效面。 失效发生在某一状态的任何时间，或者在面上或者在面外。 为了度量与失效面的接近，使用失效指数R。

• R通过缩放因子定义，因此对于给定应力状态{s11, s22, s12 }， 因此，1/R是缩放因子，通过它可以同时放大所有应力分量而获得失效面。

• 当R<1.0时，表明应力状态在失效面内，当R  1.0时，表明失效。

• 对于最大应变失效理论，失效指数定义方法类似。

• 对于最大应力（应变）理论始终等于IF。

• 输出变量名称:

  ▌CFAILURE :所有失效度量分量

  ▌MSTRS :最大应力失效理论度量

  ▌TSAIH :Tsai-Hill失效理论度量

  ▌TSAIW :Tsai-Wu失效理论度量

  ▌AZZIT :Azzi-Tsai-Hill失效理论度量

  ▌MSTRIN :最大应变失效理论度量  

• Abaqus提供了常规功能来模拟纤维增强复合材料的渐进损伤和失效.

  ▌材料失效指的是完全失去承载能力，由材料刚度的渐进损伤导致。

  刚度退化通过损伤理想来模拟。

  ▌必须使用平面应力单元公式（平面应力、壳、连续壳和膜单元）模拟。

  ▌考虑四种不同的失效模式：

  ▌受拉下的纤维断裂；

  ▌受压下的纤维屈曲和扭曲；

  ▌横向拉力和剪力下基体的断裂；

  ▌横向压力和剪力下基体的压碎。

• 材料分量定义

  ▌未损伤时构型特性（如，弹性：正交各向 异性或各项异性）

  ▌初始损伤（点A）

  ▌损伤进化（路径A-B）

  ▌选择失效单元（点B）

• *MATERIAL

• *ELASTIC, TYPE=ORTHOTROPIC

• *DAMAGE INITIATION,CRITERION=criterion

• *DAMAGE EVOLUTION

• *SECTION CONTROLS, ELEMENT DELETION=YES

• 损伤萌生准则

• 输出：

  ▌HSNFTCRT- Hashin’s准则的纤维受拉 ；HSNFCCRT- Hashin’s准则的纤维受压

  ▌HSNMTCRT- Hashin’s准则的基体受拉；HSNMCCRT-Hashin’s准则的基体受压

• 损伤萌生

• 损伤演化

• Output 输出

• 损伤变量

• I.DAMAGEFT –纤维拉伸损伤

• II.DAMAGEFC –纤维压缩损伤

• III.DAMAGEMT –基体拉伸损伤

• IV.DAMAGEMC –基体压缩损伤

• V.DAMAGESHR –剪切损伤

• 最大失效和单元移除

  ▌隐式：一旦在单元中所有材料点对于所有损伤模式，损伤变量达到值Dmax，单元就被删除。

  ▌显式:当任何一个与纤维失效模式相关的损伤变量达到Dmax ，就认为材料点失效。 当这个条件在单元的任何积分位置上所有截面点上满足时，从网格上移除单元。

• *SECTION CONTROLS, ELEMENT DELETION={YES/ NO}, MAX DEGRADATION= Dmax,

• 输出：STATUS –单元状态（1-激活，0-移除）

• 

  后处理

  

  基于铺层的后处理
• 通过选择特殊的铺层和铺层的位置，显示云图，符号图或材料方向。

• 超出指定层的任何区域都以灰色显示（无结果颜色）。