Abaqus中的Johnson-Holmquist损伤模型

Abaqus中的Johnson-Holmquist损伤模型

Johnson-Holmquist损伤模型在固体力学中用于模拟脆性材料（包括陶瓷、岩石和混凝土）在不同应变速率下的力学行为。这些材料通常在载荷作用下由于微裂纹的产生而逐渐退化，并且通常具有较高的抗压强度但较低的抗拉强度。.

陶瓷材料在弹道载荷作用下的冲击性能采用Johnson-Holmquist模型的两个版本之一进行建模。Johnson-Holmquist 1 (JH-1)模型于1992年提出，是该模型的最初版本。尽管模型中的多段应力-应变曲线可以被视为隐式地考虑了损伤，但最初版本旨在描述大变形，并未考虑随着变形增加而发生的渐进损伤。Johnson-Holmquist 2 (JH-2)模型，更准确地说是Johnson-Holmquist损伤材料模型，于1994年提出，并引入了损伤演化规则。.

在本教程包中，以下研讨会将对这两个版本进行建模。.

研讨会 1：复合材料三点弯曲模拟（陶瓷-钢-铝）

本课程重点介绍在Abaqus软件中对陶瓷、钢和铝复合板的三点弯曲进行数值模拟。板体被建模为钢和陶瓷的三维实体部分。蜂窝状铝芯则被建模为三维壳体部分。边界区域和液压千斤顶由三个刚体定义。由于其轻质、高刚度、良好的损伤容限和能量吸收能力，复合夹层结构已被广泛应用于各种工程领域。.

采用Johnson-Cook塑性和弹性模型来模拟钢材的行为。Johnson-Cook塑性模型是一种特殊的Mises塑性模型，其硬化规律和速率依赖性具有解析形式，适用于包括大多数金属在内的各种材料的高应变速率变形。陶瓷材料采用Johnson-Holmquist损伤模型。该模型中，损伤变量随塑性变形逐渐增大。铝芯材料被建模为弹塑性材料。这种分析方法适用于动态显式步骤。在可变形部分和具有摩擦力的一般接触之间，考虑理想芯材的完美接触。为了定义由陶瓷板和钢板构成的刚性结构之间的相互作用，采用面面接触。顶部刚体被赋予位移，而下方两个刚体被赋予固定边界。为了获得良好的结果，需要进行精细的网格划分。.

可以获得所有模拟结果，包括陶瓷板失效和损伤、铝芯压碎、应力和应变、力-位移图等等。.

研讨会 2：模拟预测氧化铝陶瓷在石榴石冲击下的穿透深度

本教程研究了氧化铝陶瓷在石榴石冲击下的穿透深度预测模型。弹丸和靶材均被表示为三维部件。采用JH-2本构模型来解释陶瓷材料在高应变率下的响应。JH-2本构模型需要一些材料常数才能准确预测特定陶瓷材料的行为。靶材尺寸为1000×400×400μm³。靶材边界条件定义如下：被弹丸冲击靶材顶面的节点被释放，而被弹丸冲击靶材其他五个外表面的节点保持固定。在冲击区域附近采用较精细的网格，而在远离冲击区域的地方则采用相对较粗的网格。为了模拟磨粒，使用了刚性三维实体（四面体）单元。.

这种分析方法非常适合动态显式方法。石榴石的初始速度为700米/秒。石榴石撞击目标后穿透目标，损伤变量清晰。.

研讨会3：保温混凝土夹芯板的爆炸模拟及损伤分析

由保温混凝土制成的夹芯板，其内部夹有一层泡沫保温层，外部则由两层混凝土构成。由于其轻质、节能的优点，这种夹芯板的应用越来越广泛。两层混凝土可以通过各种剪力连接件连接在一起。近年来，纤维增强聚合物（FRP）剪力连接件得到了更广泛的应用，因为它能够消除热桥效应，提高保温性能。在有限元（FE）分析方法中，静态和动态分析通常是独立进行的。然而，由于FRP剪力连接件的柔性以及保温混凝土夹芯板中混凝土的开裂，基于初步有限元研究的非线性静态分析模型往往会在早期就出现偏差。.

本模拟研究了保温混凝土夹芯板的爆炸分析和损伤研究。梁被建模为钢丝，复合材料被建模为壳体，而混凝土和泡沫则被建模为三维实体。模拟中隐含了钢材的Johnson-Cook模型、复合材料的Hashin损伤准则、泡沫的可压碎数据以及混凝土的Johnson-Holmquist损伤模型。.

对于此类研究，动态显式方法和CONWEP空气冲击波方法均适用。由于梁嵌入混凝土截面中，混凝土泡沫与混凝土复合材料之间的相互作用被视为完全接触。模拟过程中，混凝土构件遭受了显著的损伤。在冲击波的作用下，混凝土中心部分被破坏，泡沫完全压实。复合材料的损伤准则也清晰可见。.

研讨会 4：采用 SPH 方法模拟弹丸对水泥基材料的冲击

本教程采用光滑粒子流体动力学有限元模型，研究了弹丸对水泥基材料的冲击。弹丸和靶材的几何形状、冲击速度、弹丸类型和冲击角度等诸多因素都会影响脆性水泥基装甲板在高冲击速率下的性能。由于高强混凝土（HSC）材料成本相对较低、易于现场快速制造且早期强度高，因此被广泛用作被动防护装甲，以抵御武器的冲击。在前线作战环境中保护人员安全，取决于对这类装甲板在高冲击速率弹道冲击下性能的理解。通过精确模拟装甲板在动态载荷下的结构响应，可以大幅降低新型材料和应用相关的研发成本。混凝土板和弹丸均被建模为三维实体。.

弹丸行为采用钢材的弹性特性以及Johnson-Cook塑性和损伤准则进行建模。Abaqus混凝土材料模型分为多种模型，例如CDP模型和脆性裂纹模型。Johnson-Holmquist损伤模型可通过VUMAT子程序或输入文件实现，与其他材料模型相比性能更优。这种分析方法适用于动态显式步骤。接触特性被用作通用接触算法中的摩擦系数。弹丸的初始速度和混凝土板的固定边界条件均被考虑在内。对于混凝土板，采用SPH公式，并且在接触区域应使用极细的网格。.

模拟过程中，导弹穿透混凝土，造成严重破坏。所有输出结果，包括损伤变量、应力、应变和失效情况，均可获取。.

研讨会5：钢筋混凝土面板高速冲击模拟

本教程探讨了高速子弹冲击钢筋混凝土板及纸张验证。纸张用于推导尺寸。混凝土板被模拟为三维实体。钢筋用三维线段表示。子弹则用离散刚体表示。.

根据论文中的信息，采用了该材料。为了考虑高速冲击损伤，选择可通过VUMAT代码或修改输入文件访问的混凝土Johnson-Holmquist损伤模型。钢筋建模时考虑了损伤和JC硬化。采用步长为0.001秒的动态显式步进。在生成输入代码时，使用具有侵蚀效应的通用接触能力来考虑内部失效。面板所有面均采用固定边界条件，并赋予子弹初始速度。.

模拟结果，包括子弹的残余速度、动能、变形和损伤形状，均与研究结果相符。模拟和论文中得到的残余速度相同。.

所有模拟结果，包括应力、应变、损伤等结果，均可获取。.

研讨会6：香蕉环氧树脂层压板加固钢筋混凝土梁的空气冲击模拟

本教程探讨了在 Abaqus 中模拟香蕉环氧树脂层压钢筋混凝土梁加固的空气爆炸效应。混凝土梁被建模为三维实体部件。钢筋和带材被建模为三维线材部件。香蕉环氧树脂部件被建模为八层三维壳体。.

Abaqus 包含多种适用于此分析的材料模型，可用于预测混凝土在高速冲击或爆炸等极端压缩荷载作用下的行为。用户既可以使用代码创建新的材料模型，也可以使用从文件中读取输入文件的功能。本研究选择弹性工程常数类型来模拟香蕉环氧树脂材料。模型使用了八个标准壳层，每个壳层具有不同的纤维取向。钢筋和条带采用具有弹塑性行为的钢材模型。这种分析方法适用于动态显式步骤。在混凝土基体中，钢筋被视为嵌入区域。假设香蕉环氧树脂层与混凝土梁之间的接触是完全接触的。梁的两端采用固定边界条件。为了保证结果的准确性，需要进行精细的网格划分。.

模拟的所有结果，包括力和位移图、失效、损伤变量、应力和应变，均可获得。.

研讨会7：空气爆炸冲击下玻璃的损伤分析

本课程运用有限元模拟方法，研究空气爆炸对玻璃造成的损伤分析。课程中建立了玻璃和框架的三维模型。.

为了模拟钢框架的行为，采用了基于Johnson-Cook损伤准则的弹塑性材料模型。Abaqus提供了多种玻璃材料模型，其中一种是弹性模型，它利用剪切模量、Drucker-Prager塑性、延性损伤准则和状态方程来计算玻璃的力学性能。另一种能够提供精确结果的方法是使用VUMAT子程序或输入文件中嵌入的子程序。.

玻璃与框架之间实现了完美接触，并采用了动态显式技术。为了对玻璃表面施加冲击压力，选择了CONWEP空气冲击技术。框架具有固定的边界条件。由于网格对于获得正确的结果至关重要，因此必须对玻璃使用精细网格。.

模拟后可能出现所有结果，包括玻璃损伤变量、应力、应变、压力等等。.

研讨会 8：复合板（玻璃 + PVB）上的空气爆炸模拟

本教程探讨了使用 Abaqus 软件模拟空气爆炸冲击波对玻璃和 PVB 复合板的影响。空气爆炸会产生独特的压力-时间特征，并向外辐射。当压力波冲击退火玻璃时，会产生造成伤害的玻璃碎片。在爆炸载荷威胁下，夹层玻璃用于增强防护，因为玻璃碎片会粘附在中间层上，而中间层会变形以承受压力载荷。本教程采用了两层可变形的实心玻璃层。PVB 材料用作夹在两层玻璃之间的实心层。.

为了模拟玻璃在爆炸或高速冲击等强载荷下的行为，必须选择合适的材料模型。Abaqus 提供了一些材料模型，可以在输入文件、cae 和 VUMAT 子程序中找到。本例中，决定使用输入文件为玻璃定义一个新的材料模型。选择弹塑性模型来模拟 PVB 材料。这种分析方法适用于动态显式步骤。采用质量尺度法来缩短模拟运行时间和稳定时间。假设玻璃层压板和 PVB 具有理想接触；然而，也可以使用刚体面面接触。为了对面板表面施加爆炸载荷，选择 CONWEP 空气爆炸过程。模型的外侧和对称面分别施加固定边界条件和对称边界条件。为了获得正确的结果，网格必须足够精细。.

模拟结束后，将提供所有模拟结果，包括应力、应变、损伤、延性损伤、失效和位移。PVB部分在模拟过程中发生了显著变形，两层玻璃完全失效。.

 研讨会9：球冲击玻璃表面下损伤分析

通过回收的航天器表面分析空间碎片和微流星体的撞击通量，需要了解脆性和韧性材料在超高速撞击下的反应。太阳能电池板和舷窗是暴露在近地轨道上的脆性材料表面的例子。实验室研究只能获取太空中遇到的撞击体参数的有限部分（速度、直径、密度、形状、成分和撞击角度）。在本模拟中，玻璃被建模为厚度为0.5毫米的实体，球体被建模为三维壳体。超弹性材料已被用于模拟球体的行为，而玻璃在高压载荷和高应变率下的行为则需要采用合适的材料模型来描述。.

由于冲击现象原本是一个动态过程，因此采用“动态显式”步骤是合适的。相互作用被建模为具有摩擦行为的表面-表面接触。本教程采用了球体内部气体的摩尔热容和分子量，并结合流体空腔技术来模拟气体行为。由于玻璃需要较小的网格尺寸才能正确响应冲击，因此冲击区域必须采用较小的单元尺寸。冲击过程中玻璃的明显破损导致球体发生显著偏转。.

研讨会10：钢弹丸冲击钠钙玻璃的损伤分析

本教程探讨了在Abaqus损伤评估中，如何模拟钢弹对钠钙玻璃的弹道冲击。玻璃是一种非常复杂的物质，对其进行建模极其困难。玻璃密度很高，并且在剪切、温度、压力和时间的作用下会发生致密化。压力已被证明对材料强度有显著影响，更高的压力会导致材料强度更高。玻璃似乎也对应变速率敏感，加载速率越高，其弯曲强度也越高。玻璃具有很高的剥落强度，当受到冲击载荷时，断裂始于其弹性极限。正如预期的那样，较小的玻璃样品比大的玻璃样品强度更高，这与具有脆性缺陷的材料的特性相符。在平板冲击实验中，玻璃还会经历随时间变化的非弹性变形和强度损失。玻璃和弹丸均被建模为三维部件。.

该弹丸由钢制成，其弹性模量为速率相关的Johnson-Cook塑性。Abaqus提供了多种合适的材料模型，可通过输入文件、CAE输入文件或VUMAT子程序获取，用于模拟玻璃在高速率压力载荷下的行为。本教程将利用输入文件功能定义一个考虑玻璃所有行为特征的材料模型。.

采用动态显式步骤模拟表面接触。设定玻璃周围区域的固定边界条件以及弹丸的初始速度。网格划分应精细，因为脆性断裂需要较小的单元尺寸才能准确预测。模拟完成后，可以获得所有玻璃损伤变量、应力、应变和其他结果。.

研讨会11：模拟弹道冲击钢-碳化硅-钢三层结构

本教程探讨了钢、碳化硅和钢三层复合材料在弹道冲击下的Abaqus仿真。陶瓷基装甲系统在相同面密度下比单层金属装甲系统性能更优。其性能受陶瓷和金属的相对比例、空间排列方式以及组成材料的固有属性的影响。为了在军用地面车辆应用中保持车辆的机动性、载荷能力和燃油效率，装甲必须采用轻质材料，并能抵御各种弹丸威胁。本研究利用已验证的组成材料本构关系，通过数值模拟研究了由陶瓷和金属层构成的模型复合装甲的设计对其弹道性能的影响。并基于等效面密度进行了比较。.

陶瓷和两块钢板被建模为三维部件。模型中弹丸包含一个圆柱形部分。.

为了模拟弹丸的弹性和钢板的性能，需要用到与应变速率相关的塑性变形、韧性损伤的演化以及剪切损伤的数据。Johnson-Holmquist-Beissel (JHB) 模型已被用于模拟碳化硅在高应变速率变形下的行为。JHB 模型主要由三部分组成：一个用于描述压力-密度关系的物态方程 (EOS)，该方程可以包含膨胀（或体积膨胀）效应以及相变；一个用于描述材料从完整状态到断裂状态转变的损伤模型；以及一个以压力相关屈服面形式表示的完整和断裂材料的偏应力强度。.

这种分析方法非常适合动态显式方法。已将考虑内部单元侵蚀的一般接触定义为输入文件。弹丸的初始速度设定为 850 m/s。仿真结束后，所有损伤变量均可获取。.

研讨会12：盾构机滚刀破碎岩石过程模拟

由于其发展速度快、效率高、隧道掘进效果好、对周围环境和安全影响小，隧道掘进机（TBM）在隧道施工中得到了广泛应用。现代隧道掘进机诞生于20世纪50年代初。自Robbins（1987）对20世纪50年代至80年代隧道掘进机的发展进行总结以来，过去30年间，针对隧道掘进机开发的众多应用和模型引起了广泛关注。例如，用于城市隧道的盾构法、用于大型矩形截面隧道的多微型盾构法、用于城市地下工程的紧凑型盾构法、用于预测块状岩体条件下TBM在硬岩中性能的新模型、用于预测混合地层条件下TBM在工程规划和优化中的性能的新技术、TBM在节理发育岩体和断层带中的性能分析等等。.

在本模拟中，岩石被建模为可变形部件，而切割器则被建模为三维刚体部件。为了获得正确的模拟结果，使用正确的材料模型至关重要。.

对于这类研究，动态显式步骤是合适的，输入文件应考察侵蚀作用下的一般接触相互作用。模拟结果表明，石块会发生破碎。.

看看会很有帮助 Abaqus 文档 要理解为什么在没有任何辅助工具的情况下启动 Abaqus 仿真会如此困难 Abaqus教程. 此外，如果您需要了解有关有限元法 (FEM) 的一些信息，请访问这篇文章： “有限元方法简介 | 有限元分析”. 如果您不知道哪个版本的 Abaqus 软件适合您，别担心！本文将为您提供有关 Abaqus 版本的信息： “如何下载 Abaqus？| Abaqus 学生版和商业版” . 需要注意的是，在使用 Abaqus 进行仿真时，务必注意输入数值的单位。没错！Abaqus 本身没有单位，但您输入的数值必须使用一致的单位。您可以了解更多相关信息。 Abaqus中的单位制。.