ABAQUS_Composite失效和损伤建模

laminate 的basic failure mode分为 + failure in ply + matrix failure + fiber failure + Delamination between plies

Ply failure和膜应力/弯曲应力关,取决于加载和纤维取向.而Delamination和横向剪切应力有关.一般来说,在疲劳和静态超载下,Delamination更加重要.层间分离的分析可以借助==cohesive 单元==或==VCCT==来模拟.

Failure due to delamination is more insidious, as it is less predictable than ply failure, but ultimately, the laminate needs to be designed not to fail.

1. 定义失效准则(ABAQUS/CAE)

ABAQUS 本身支持的failure theory有: + Stress-Based + MaxStress theory + Tsai-Hill theory + Tsai-Wu theory + Azzi-Tsai-Hill theory + Strain-Based + Maximum strain theory + LaRC05失效准则(较新版本中还内置)

如下图,对于StressBsaed 的失效准则.需要在GUI中定义:1)4个纤维和基体的拉伸/压缩应力强度极限Xt,Xc,Yt,Yc【F/N^2】.2)面内剪切强度极限S.3)Tsai-Wu的比例系数,\(F_{12}\) .4)双轴应力极限Stress Limit,这个可以不设置.

同样的,StrainBsed的失效准则需要定义:纤维和基体的拉伸/压缩应变极限(4个参数),以及面内剪切应变极限S

常用失效理论介绍

Maximum stress theory

这是最简单的实效模型,各个应力分量之间不耦合,因此==精度有限==.公式如下:

\(I_{F}>=0,则失效发生\)

Tsai-Hill theory

这是Tsai在1968年提出的,广泛用作复合材料单层失效评估的简单失效模型.他是Hill's 各向异性塑性模型的扩展.

对于给定的剪切应力\(\sigma_{12}\),可以给出失效包络线:

Tsai-Wu theory

这个理论和Tsai-Hill的不同之处在于:引入了比例因子\(F_{12}\),更加平滑.\(F_{12}\)在abaqus中由\(f^{*}或者\sigma_{biax}\)计算得出.

F12=0时,Tsai-Wu的失效包络线为:

Azzi-Tsai-Hill theory

这个理论和Tsai-Hill很相似,不同之处是:

对比他们的失效包络线:

Maximum strain failure theory

这也是很简单的实效模型,实验对比发现,在一般的应变状态下,准确性还不如maxStress theory.

2. 在后处理中输出Failue Index

在场输出/历史输出中定义有关的Output Vars:

3.使用LARC05作为失效准则

LaRC05不仅可以作为失效判断的准则,也可以作为材料损伤演化的起始准则.

LARC05是基于内置子程序UVARM的损伤评估准则(Damage evaluation criterion),材料名==必须以ABQ_LARC05_DMGCRT为开头==,才能调用内置LARC05

larc05的失效模式如下:

相关论文:Pinho et al., "Material and structural response of polymer-matrix fibre-reinforced composites", Journal of Composite Materials, 46 (19-20), 2012, pp. 2313-2341;

在abaqus的官方社区的==Knowledge Base Article QA00000046225==也可了解更多信息

LARC05在后处理中支持输出:

LARC05一共需要定义15个材料变量:

下面是定义LARC05并调用的一个例子:

4. ABAQUS对Fiber-Reinforced Composites渐进损伤建模

abaqus 具有建模渐进损伤和失效的通用能力.材料失效是指由于材料刚度的逐渐退化而导致的承载能力的完全丧失.刚度退化的建模依据是损伤力学.

在不使用子程序情况下,abaqus的复材渐进损伤建模本身只支持==带有平面应力公式的单元==,包括:plane stress element,shell element,continuum shell element and membrane element.

支持的损伤模式有:

论文链接:Berthelot et al, "Modelling the transverse cracking in cross-ply laminates: application to fatigue," Composites Part B: Engineering, Volume 30, 1999, pp. 569-577.