تعریف Damage در آباکوس – مکانیک آسیب در Abaqus

اهداف آموزش: هدف این مقاله آموزشی شنایی با مکانیک آسیب، نحوه تعریف Damage در آباکوس، شناخت ضرورت Damage Mechanics، انواع مدل‌های Damage، انتخاب مدل Damage در آباکوس، بکارگیری مکانیک آسیب در آباکوس، تعریف آسیب در مواد کامپوزیت است.

ضرورت مکانیک آسیب (Damage Mechanics)

زمانی که یک ماده مهندسی تحت شرایط نامطلوب مانند عملیات کار گرم یا کار سرد قرار می‌گیرد، و یا دما تغییر کند، واکنش شیمیایی بوقوع بپیوندد، و یا در اثر نیروهای اعمالی و شرایط محیطی مساعد قرار بگیرد، عیوب میکروسکوپیک و ترک‌ها گسترش می‌یابند. به شکل کلی، ترک‌ها با جوانه‌زنی میکرو حفره‌ها شکل می‌گیرند. عیوب توزیع شده در یک ماده نه تنها در شکل‌گیری ترک‌ها نقش ایفا می‌کنند، بلکه روی خواص مکانیکی نظیر چقرمگی، صلبیت، کاهش استحکام، پایداری و نیز رفتارهای مکانیکی مانند پدیده آسیب سهیم هستند.

مطالعه رفتار میکرو ترک‌ها و نیز عیوب میکروسکوپی مورد توجه دو دسته از محققین مرتبط با مکانیک قرار گرفته است: مهندسین مواد و مهندسین مکانیک. از دید مهندسین مواد، نگرانی اصلی در خصوص پروسه رشد میکروترک‌ها و روش‌های بهبود عملکرد میکروسکوپی مواد است در حالی که از نقطه نظر مهندسین مکانیک، تلاش برای یافتن اثر عیوب میکروسکوپی بر خواص مکانیکی از طریق معرفی یک متغیر حالت در چارچوب ترمودینامیک و مکانیک محیط‌های پیوسته حائز اهمیت است. شاخه‌ای از علوم با نام مکانیک آسیب پیوسته، توجه خود را به بررسی روشمند یا سیستماتیک رشد عیوب میکروسکوپی و تأثیر آن بر رفتار مکانیکی مواد معطوف کرده است.

انواع آسیب (Damage)

پیدایش آسیب در فلزات به عوامل مختلفی بستگی دارد که از آن میان می‌توان به ماهیت ماده، نوع بارگذاری و درجه حرارت اشاره نمود .در بیشتر آلیاژهای فلزی مشاهده شده است ریز تخلخل‌هایی که با کار مکانیکی ایجاد می‌شوند به آسیب در ماده منجر می‌شوند .لازم به ذکر است که این ریز تخلخل‌ها با ریزتخلخل‌هایی که گاهی بر اثر ریخته‌گری و دیگر عیوبی که در فرآیندهای تولید ماده به وجود آمده است، تفاوت دارند. از یک زاویه دید دیگر مدل‌های متنوعی برای آسیب ارائه شده است که در این زمینه می‌توان به آسیب نرم، آسیب ترد، آسیب خزشی و آسیب‌های خستگی پرچرخه و کم‌چرخه اشاره نمود.

چنانچه در بروز ترک و شکست ماده کرنش پلاستیک قابل توجه نباشد، آسیب ترد خواهد بود. در مقابل، آسیب نرم زمانی اتفاق می‌افتد که تغییرشکل پلاستیک قابل توجهی وجود داشته باشد. هنگامی که بارگذاری ماده با افزایش دما توام گردد، آنگاه ممکن است ماده تحت تنش ثابت دارای تغییرشکل گردد. در این حالت وقتی کرنش به اندازه کافی بزرگ شود، جدایی درون دانه‌ای اتفاق می‌افتد که پدیده آسیب و افزایش نرخ کرنش به واسطه خزش را به همراه دارد. آسیب خستگی زمانی رخ می‌دهد که ماده در معرض بارگذاری دوره‌ای با مقادیر قابل توجه تنش قرار می‌گیرد. اگر تنش‌های وارد شده به جسم از تنش تسلیم ماده کمتر باشد، طبیعتاً آسیب پرچرخه خواهد بود و درصورت بالا بودن تنش‌های اعمالی از تنش تسلیم ماده، آسیب کم‌چرخه رخ خواهد داد.

انتخاب مدل آسیب (Damage) در آباکوس

همانطور که در بخش قبل نیز اشاره کردیم، انتخاب مدل آسیب مناسب به نوع ماده و بارگذاری مورد نظر وابسته است. چنانچه ماده‌ای که در اختیار دارید رفتار ترد دارد باید به سراغ مدل‌های آسیب ترد بروید و اگر ماده مورد نظر شما دارای کرنش پلاستیک قابل توجهی است (ماده نرم) انتخاب مدل‌های آسیب نرم به شما کمک خواهد کرد. اما در سال‌های اخیر و همزمان با رشد پرشتاب علوم گوناگون، بحث مکانیک آسیب در مواد شبه‌ترد و کامپوزیتی نیز از محبوبیت قابل توجهی در بین محققین دانشگاهی و صنعتی برخوردار شد. در این میان، آباکوس به‌عنوان نرم‌افزاری پیشگام و تراز اول سعی کرده تا در این حوزه نیز خدمات گوناگونی به محققین ارائه دهد.

برای انتخاب مدل آسیب مورد نظر باید در ماژول Property و در بخش تعریف ماده، مطابق شکل زیر از منوی Mechanical ، مدل آسیب مناسب برای ماده مورد نظر خود را انتخاب نمایید.

همانطور که در شکل فوق نیز مشاهده می‌کنید، بسته به اینکه قصد بررسی پدیده آسیب در چه ماده‌ای را داشته باشید گزینه‌های مختلفی در اختیار شما قرار گرفته است:

Damage for Ductile Metals

با توجه به اینکه رفتار اکثر فلزات شناخته شده و مورد استفاده در صنعت در این دسته قرار می‌گیرد یکی از پرکاربردترین گزینه‌هایی که در اختیار محققین قرار گرفته است را باید بررسی آسیب در فلزات نرم دانست. با کلیک و انتخاب این گزینه، معیارهای آسیب نرم (Ductile Damage)، جانسون – کوک (Johnson-Cook)، آسیب برشی (Shear Damage) و FLD ،FLSD، M-K و MSFLD در اختیار شما قرار می‌گیرد که بسته به مسئله و رفتار ماده مورد نظر می‌توانید یکی را انتخاب کنید.

از آن‌جایی که هر یک از مدل‌های آسیب از تئوری‌های خاص خود بهره می‌برند امکان شرح جزئیات هر یک در این پست وجود ندارد؛ لذا به شما توصیه می‌کنم پس از مطالعه پیرامون مدل مورد نظر خود به Documentation آباکوس مراجعه کرده و شناخت عمیق‌تری از پارامترهای هر مدل، نحوه عملکرد و حوزه کاربرد هر یک پیدا کنید. بدون شک استفاده از یک مدل آسیب بدون درک صحیح ابعاد و زوایای مختلف آن امکان‌پذیر نخواهد بود.

Damage for Traction Seperation Laws

اگر قصد دارید تا در موادی نظیر اتصالات چسب و المان‌های Cohesive به بررسی پدیده آسیب در آباکوس بپردازید باید از این گزینه استفاده کنید. گزینه‌های این بخش به شما کمک می‌کند تا به کمک ترکیب رهیافت مکانیک آسیب پیوسته و مدل‌های مرسوم ماده در آباکوس، پدیده Damage یا آسیب را در اتصالات Cohesive مورد واکاوی قرار دهید. با کلیک بر این گزینه، مدل‌های آسیب Quade، Maxe، Quads، Maxs، Maxpe و Maxps در اختیار شما قرار خواهد گرفت.

Damage for Fiber-Reinforced Composites

معیار آسیب Hashin را باید از معروف‌ترین معیارهای Damage در مواد کامپوزیت دانست که در Abaqus تعبیه شده است. معیار Hashin آسیب ناهمسانگرد در مواد Elastic-Brittle را پیش‌بینی می‌کند و از این نظر برای پیش‌بینی رفتار کامپوزیت‌های تقویت شده مناسب است. مدل آسیب Hashin چهار مود یا حالت گوناگون برای واماندگی (Failure) ماده را در نظر می‌گیرد: کشش در الیاف تقویتی، فشار در الیاف تقویتی، کشش در ماده زمینه (Matrix) و فشار در ماده زمینه.

Damage for Elastomers

الاستومرها را باید مواد پلیمری دانست که از قابلیت ارتجاعی بالا برخوردار بوده و به وفور در ساخت محصولاتی نظیر لاستیک اتومبیل، آب‌بندها و . . . به‌کار می‌روند (آشنایی با الاستومرها). چنانچه قصد دارید به بررسی Damage در این مواد بپردازید باید از مدل Mullins Effect که آباکوس تعبیه کرده استفاده کنید. مدل ماده Mullins Effect به شما کمک می‌کند تا به تعریف و مدل‌سازی نرم‌شوندگی در الاستومرها تحت بار شبه استاتیک چرخه‌ای بپردازید. آباکوس به شما اجازه داده تا سه روش برای تعریف Mullins Effect در ماده بپردازید:

• پارامترهای مدل Mullins را به شکل مستقیم و تابعی از دما و/یا متغیرهای میدانی تعریف نمایید.
• از داده‌های تجربی بارگذاری- باربرداری برای کالبپیبراسیون پارامترهای اثر Mullins استفاده کنید.
• از سابروتین UMULLINS در Abaqus/Standard و یا VUMULLINS در Abaqus/Explicit استفاده نمایید.

سایر مدل‌های آسیب

اما اگر شما نیز از مدل آسیب خاص و بدیعی استفاده می‌کنید که در پیش‌فرض‌های آباکوس تعبیه نشده است باید دست بکار شوید و پس از شناخت فرمول‌بندی و استخراج روابط به شکل Incremental به سابروتین‌نویسی بپردازید (آشنایی با سابروتین‌نویسی در آباکوس). UMAT و VUMAT دو سابروتینی هستند که باید با شناخت کامل اصول حاکم بر آن و درک عمیق پارامترها به تعریف مدل آسیب خود در آن بپردازید (UMAT چیست؟).

منبع: آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک