材料氢脆断裂模拟的UEL子程序实现方法

氢原子进入金属材料内部会恶化其力学性能，主要表现为降低金属材料的使用寿命、塑性变形能力和强度，致使工程结构或构件过早失效，造成灾难性事故。氢脆往往也是指氢原子导致材料的断裂特征从韧性断裂转变为脆性断裂的现象。使用UMAT(User Material Subroutine)子程序及UEL (User Element Subroutine)子程序模拟氢致裂纹扩展行为(HAC, Hydrogen-assisted cracking)目前是有限元模拟方向的热门。本文将总结使用UMAT子程序及UEL子程序来实现氢致裂纹扩展过程模拟的主要原理及方法。

UMAT中实现材料的弹性变形过程，其有效应力与二次退化函数有关，详见上一篇《材料脆性断裂有限元模拟的UEL子程序实现方法》：

采用三层本构方法，第一层为弹性变形层(UMAT)，第二层为氢扩散层(UEL)，第三层则为相场损伤层(UEL)。在第一层中计算弹性应变能密度及静水应力，通过全局变量传递给第二层；在第二层中计算当前静水应力梯度，进而求解氢浓度分布，通过全局变量传递给第三层；在第三层中计算当前变形条件下的Gc，并使用由全局变量传递的弹性应变能密度，计算当前损伤场的分布；最后，通过全局变量将氢浓度、损伤场传递至UMAT进行可视化。

文件输入：

采用平面应变二次缩减积分单元CPE8R为例，在inp文件中添加如下语句：

---------------------------第二层---------------------------

*User element, nodes=8, type=U1, properties=1, coordinates=2, variables=4

11

*Element, type=U1, elset=Hydrogen

（单元及其对应节点排序）

---------------------------第三层---------------------------

*User element, nodes=8, type=U11, properties=2, coordinates=2, variables=12

4

*Element, type=U11, elset=Phase

（单元及其对应节点排序）

--------------------------------------------------------------

图1 裂纹试样模型及网格分布

计算结果如下：

氢的出现明显降低了样品的承载能力，且该承载能力随着氢浓度的增大而下降。

使用本文所用方法可以预测样品在氢环境下的断裂过程，该方法同样适用于宏观弹塑性模型以及晶体塑性模型。