ANSYS显式动力学材料模型——Failure

ANSYS 显式动力学中的材料模型与失败分析


背景

在使用ANSYS显式动力学仿真时，材料的抗拉强度是影响预测结果的关键属性。材料模型与失败分析的融合是确保仿真结果准确无误且物理上合理的关键。基于这一机制，当材料承受的拉应力超过材料的局部抗拉强度时，材料局部会发生失败。为了使得仿真结果能够与物理世界一致，必须建立并实施一个复杂的模型系统，能够在预测局部应力增高到异常大的情况下及时地识别并修正计算流程。这种失败分析的应用不仅能处理并量化材料失效，还能预估材料的后失败响应，如瞬时失效、逐渐失效等。

失败启动模型

在显式动力学系统中，材料失败的模式因材料性质、受力状态以及所选用的模型方法而异。这些模型通常围绕材料在弹性变形、塑性变形、或由于特定准则（如各向同性体积准则或主值）而导致的失效驱动而设计。

1. 弹性/无变形：当材料当前正经历弹性的拉变形或根本没有变形时，尚处于正常应力响应状态，未触及失败界限；




2. 塑性应变增加：随着上一时间步长内塑性应变的增加，材料的强度储备可能被耗尽，预示着即将进入启动失败阶段；

3. 各向同性失效：在特定的体积占有率准则下，材料的体积密度可能在异向性中丧失，触发某种类型的失败模式；

4. 主值失衡：在某些情况下，材料可能由于主值达到特定的限制（例如最大主拉应力或最大剪应力）而进入失败状态。

失败后响应

一旦材料在单元中发生故障或失效，其后续力学性能会发生显著变化，旨在反映真实世界中材料的退化行为：

瞬时失效：当一个单元失效时，该单元的偏应力会即刻设置为零，并只能支持压缩压力。这种方式简单直接，快速处理损伤。

逐渐失效：失败一旦发生，单元的受力特性会遵循损伤演化规律，逐渐减少其承受拉应力的能力，直至完全失效。当结合裂纹软化失效特性时，这一过程表现得更为柔和且自然。

失败模型选择与应用


ANSYS提供了一系列材料失败模型，以适应不同类型的损伤与破坏：

塑性失效应力：基于有效塑性应变的适度增长而启动失败，适用于模仿延性破坏。然设计者需输入最大塑性应变值，一旦超过该值便解体。此模型与塑性或脆性强度模型结合最为可行。

主失效应力：考虑材料的脆性破坏，可用单个准则（最大拉应力或者最大剪应力）触发失效应力。例如，通过界定材料承受的最大主压应力或最大剪应力。

主失效应变：适用于脆性破坏或延性破坏，同样基于以上两种准则的界限，如果应变超过定义值，开始失效应变。

随机失败：模拟材料异质性，通过引入材料破坏应力或应变的随机变量来模仿微观缺陷的随机分布。

拉伸压力失效应力：适用于材料的动态层裂分析，允许预设最大活动压力极限，减少动态层裂（或空化）风险。

裂纹软化失效应力：一个基于断裂能的损伤模型，用于渐进性地减少单元承受拉应力的能力。

JohnsonCook失败：针对在高应力、应变速率和温度下工作的非固态材料的延性失效。

格瑞迪斯斯裂失效应力：适用于动态冲击时金属的主量裂解，需要与塑性模型协同工作。


Mott分布和随机方差

通过Mott分布定义失效应力或应变的方差，每个单元被分配了一个由该分布决定的独特值，其中值为1对应于材料的失效应力或应变。随机方差γ值的指定决定了失败过程的不确定性和差异性，可在每次仿真运行时随机更新或每次保持一致。

引用来源

成功构建和应用这些模型，需要通过适当的案例研究和实践指引来验证和优化。ANSYS官网及学术文献的推荐提供了权威的推荐以进一步深入理解这些概念的实现及高级应用策略。

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