abaqus脆性材料设置方法

  本节主要讲一下brittle cracking。brittle cracking主要是用来描述脆性材料，包含混凝土、玻璃。这个材料模型的只能用在abaqus的explicit模块，主要用于tensile cracking，假设压缩的部分是线弹性材料，只能跟线弹性材料来做搭配使用。

这个材料模型的有一个特性是元素内的所有积分点，如果都达到brittle cracking的时候元素的劲度才会归零，然后它也可以用status 被隐藏起来，比较容易观察到整个脆性材料的破裂的情况。本节就是以玻璃材料来示范brittle cracking的做法。

 

先从实验看起，大概玻璃材料的话就会做一个四点弯曲实验。四点弯曲实验的话主要就是说它的特性中间这一段即上面跨距一段里面的范围都是属于一个纯弯的状况。

 

下图是几个sample的实验数据，各位可以发现，就算是同一批玻璃材料，它的变异性还算是蛮大的，因为玻璃这个材料，它在切割的时候，它的边缘必须去做分割处理。分割程度跟品质会严重的影响到玻璃的整体的强度。因为它在切割的时候表面会产生一些裂隙。这个裂隙如果只要被没有被研磨掉，在承受这个实验的时候，就很容易会因为这个裂隙，马上迅速的延伸到整个玻璃，所以它的断裂情况会是很迅速的。

先依据实验的结果，来算一下材料的elastic modules，跟破坏时的抗拉强度。这个公式基本上是在网络上可以很容易的找到，这里就不做说明。直接把实验数据带入这个公式里面，然后去计算出他的杨氏模量以及抗拉强度，因为前面有提到他有一些变异性存在，所以直接把这五个sample 都去取一个平均值。所以取得结果是杨氏模量在75.8Gpa，抗拉强度是57Mpa。

 

上方跨距下压的时候，如果他在量测δ的时候，δ有时候可能不是很容易量取，所以这边提供另外一个计算公式给各位做参考。

 

借由这个前面算出来的抗拉强度57Mpa以及E值，就可以知道最大弹性应变是数值是7.5E-4，因为这个玻璃材料我们前面有讲说他是脆性的破坏，只要它一达到抗拉强度之后，它可以承受的这个应变也是非常非常的小，所以把这个应变量假设成e-5。意思就是说这个应力应变图只要达到一个抗拉强度之后，它只能承受一点点的应变量，它就会迅速的整个破坏。

 

在设定材料时候，一开始就是基本的这个密度以及elastic 这个材料。这个大概大家应该不会有什么问题，那主要杨氏模量的地方，就是按照前面所设定的75.8Gpa，然后设置poisson ratio为0.24。

 

brittle cracking的地方它主要设定了就是四个参数。可以把它想象成是我们前面以前在做plastic 时候一样，它的应力跟应变。应力前面算出来的平均值是抗拉强度是57MPa，那应变就设成零。下一个状态就是两个点，第一个点就是说应力会归零，他的这个cracking strain就是e-5，可以回到上图所示两个点。这两个点，一个点是在上方的57平均值，然后对应到的cracking strain，可以把它想成是plastic strain就是零。

第二个点就是在下方应力已经是零，他的cracking strain是e-5。

它还有另外一个设定，就是suboption里面有一个shear，这个shear主要是讲剪切方向，剪切方向可以用retention factor 的方式来做定义。这里的shear  retention factor 可以看到是1跟0，因为它是一个skill factor，这个1 的意思就是说等同于抗拉强度57，它只是一个比例因子而已。那cracking strain一样是0跟e-5，这是因为没有做这种剪切的实验，所以就假设它是跟这个抗拉的这个强度是一样的。

 

 

除了brittle cracking跟brittle shear之外，还必须另外去设定brittle failure。brittle failure。Failure criterion选择unidirectional意思是当任一方向都达到cracking strain 的时候，那元素劲度就会归为零，而且会移除元素。所以不管是拉力方向或是剪力方向，只要达到抗拉强度，那就会把这个元素移除，这边的这个 failure strain，我们也是跟前面一样设成e-5。

 

 

这里做了一个元素类型的比较，分别是continue shell，以及是C3D8I一层、C3D8I两层，分别加上skin 的元素，skin就是表面membrane元素。可以看到这三种元素设定的方式，在分析的初期，那分析结果都是一样的，到中间这边continue shell的表面已经开始达到抗拉强度的时候，某些部分的元素开始坏掉，其他还没有发生破坏的元素，还可以继续受力。

在C3D8I+skin里面也是一样，skin 最外侧，所以它一定会先达到抗拉强度，然后其他实体元素的地方，因为积分点在比较内测，所以它的积分点应力值一定还不到抗拉强度，所以它还可以继续的受力。

 

分析继续往下做到后面这一段，可以发现，在continue shell 过程中，它的shell元素会慢慢的被移除，有些还没有被移除的时候，所以会有一些反力抖动的情况。

如果是C3D8I的元素的话，表面都会先达到破坏，内部还不会达到57。所以他的力误差就会比较大一些。

 

因为前面的分析结果，做了一点实用上面的建议。如果你今天是使用continue shell 来做这个brittle cracking的话，最好要把它设定brittle cracking参数，为什么这么说呢？因为他后面会有一些反力抖动的状况，这时候我们其实可以直接利用积分点的数值看它有没有超过抗拉强度直接去判断他有没有发生破坏就可以，这样子的话不会发生element distortion问题。我们就直接从这个应力云图看应力值就好，比较直接。如果今天是使用的是C3D8I 的元素的话，我们最好一定要设定这个brittle cracking，而且要搭配M3D4R membrane 的元素，就是我们要提取表面的应力，这样子我们就可以直接从云图里面去看一下哪里有发生的应力到达57，那看membrane元素会被移除掉，根据经验的话，就是他也是在做动态情况下，受力的话，他的破坏应力应该会高于静态的负载，就是说他的抗拉强度会稍微高一些。

 

ppt来源士盟科技。

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