基于ABAQUS的夏比冲击实验模拟

强度与塑性是工程材料的重要力学性能，而在实际的应用中，韧性也是评判材料力学性能的重要指标[1]。在实际工况中，工程材料受到的载荷比较复杂，长期在复杂环境下工作，使得材料不可避免地萌发出裂纹[2]。在需要承受冲击载荷的情况下，材料的韧性性能就变得更加重要。夏比冲击试验是评判材料韧性的基础力学试验，用于测定材料的裂纹断裂韧性，对夏比冲击试验进行计算机仿真模拟优化，可以简化实验过程，提高实验精度

在船舶制造、压力容器、冶金工程、起重机等工程领域中，工程材料往往会受到循环或者往复的复杂冲击载荷作用，材料长期处于这种工况下极易产生裂纹，而产生裂纹的位置再次受到冲击载荷作用时更容易断裂。因此应用于这些领域的工程材料不仅需要考虑强度和塑性，同时也应该兼顾到材料的裂纹冲击韧性，冲击韧性的高低。工程中常用夏比冲击试验来测试材料的裂纹冲击韧性，现在一般的钢厂都有夏比摆锤冲击实验设备，但为了保证实验的准确性，每次实验最少需要准备3组实验材料进行试验，同时一般的实验设备在长期使用之后会出现老化与磨损，会影响到实验数据的准确性，因此将夏比冲击试验在计算机上进行仿真模拟依然具有实际意义，在简化实验过程的与提高实验数据准确性的同时，也能为不具备实际试验条件的情况提供了实验平台。

裂纹冲击韧性，就是指材料在弹性变形、塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。在夏比摆锤冲击试验中，材料断裂所吸收的能量近似等于摆锤起始点与冲断材料后摆至最高点所损失的势能。在计算机仿真时，只考虑摆锤撞击材料的瞬间，应用有限元分析判定材料的韧性。

标准夏比冲击试样尺寸长55±0.6，横截面积10±0.05×10±01。冲击样坯的切取应按产品标准规定执行，试样的制备应避免由于加工硬化或过热而影响金属的冲击性能。

材料韧性对缺口的形状和尺寸十分敏感，缺口愈深、愈尖锐，断裂韧性越差。因此，即便是同一种材料，在缺口不同的情况下，实验结果依旧具有很大的差异，所以一般情况下材料韧性不是一个通行的值，不同实验条件下得出的结果不可以进行换算与比较。

按照实际实验的规范在ABAQUS软件中建立实验模型，本文试件模型采用V形缺口，模拟模型包括冲击瞬间的试件以及锤头两个部分。在进行装配时，锤头位于式样中间位置，锤头弧形区与式样相切。

建模完成后，进入仿真过程。

1. 定义边界条件

对于夏比冲击实验，参照实际实验模型与夹具，应当对试样靠近两端的位置进行约束，形成类似简直梁的简单模型。

2. 施加载荷

对于夏比冲击试验，载荷体现在摆锤冲断式样瞬间所加载的冲击能，而计算机模拟的是冲击瞬间，无法直接加载冲击能，对此本实验势能转化为冲击瞬间的动能，定义锤头的密度，再为锤头加载一个速度场，给予锤头一个冲击瞬间的速度来模拟实际的冲击能。

3. 网格划分

有限元分析的基础单元便是网格，网格大小影响着最终结果与模拟的计算量，网格单元越小，计算结果越精确，但是计算量也同时上升。对于夏比冲击实验来说，载荷主要集中在断裂区域，因此在划分网格时可以将试样区域划分为断裂区和非断裂区，在断裂区缩小单位网格大小，增加实验数据准确度；在非断裂区增大单位网格大小，减少模拟实验计算量。与此同时，考虑到力场的传递特性与实验中产生的变形，在划分网格时尽量划分为矩形网格。本实验在二维截面的基础上拓展模型，将断裂实验模型的网格选为3D网格。

仿真结果如图，可以看到，在锤头刚刚接触试样时，应力主要集中在裂纹处与接触区域，反映出工程材料发生形变时，应力会在裂纹处集中，更容易断裂。随着锤头速度场的不断加载，断裂的区域不断扩大，应力主要集中在断裂发生区域附近。整个模拟过程的应力应变结果与实际实验结果基本吻合。

本文使用了基于ABAQUS的有限元分析技术简单模拟了夏比摆锤冲击试验的过程，按照实际实验的技术与操作要求对模拟实验过程进行规划，得出相应结果；与此同时，由于网格大小对实验结果具有影响，可以在本次实验的结果上对裂纹断裂区划分出大概区域，在划分网格时改变断裂区与非断裂区的界限位置，或者引入多级区域划分方案，再针对计算复杂的断裂区，多次实验，梯度划分不同大小的网格，加入不同的网格划分方案，用以优化模拟模型。

随着智能制造的不断推进，使用ABAQUS等有限元平台对工程项目进行模拟分析将更加普遍的出现在整个制造流程中，对于类似夏比冲击、简单拉压等的基础力学实验进行模拟对比必然有助于优化有限元分析的方案设计与结果分析，推动CAE技术在制造业中的发展。