裂紋擴(kuò)展分析的案例
采用Abaqus和Marc軟件的疲勞裂紋擴(kuò)展分析對比
1基本理論
在進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展計算時，兩款軟件的基本理論相同，均是基于Paris公式。不同的是，Abaqus僅提供了能量釋放率形式的Paris公式，即
而Marc還提供了應(yīng)力強(qiáng)度因子形式的paris公式。兩種公式形式下的參數(shù)C和m有所不同。
Abaqus通過下式判斷疲勞裂紋何時開始擴(kuò)展
而Marc則通過在分析工況中選中相應(yīng)的初始裂紋，通過設(shè)置多個分析工況，控制裂紋開始擴(kuò)展的時間。
2軟件分析過程
ABAQUS
Abaqus進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析時，分析步需選擇Direct cyclic。另需編輯關(guān)鍵字，輸入?yún)?shù)C、m等。
初始裂紋建模與其它類型的裂紋相似，通過擴(kuò)展有限元方式建立初始裂紋及實現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展，因此初始裂紋需剛好穿過整數(shù)個單元，才能實現(xiàn)初始裂紋的準(zhǔn)確建模。Abaqus中，每次疲勞裂紋擴(kuò)展的距離為一個單元，然后軟件會以單元的長度和得到的能量釋放率，通過Paris公式計算出對應(yīng)的疲勞周次，直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，進(jìn)行后續(xù)的計算。
Abaqus軟件的疲勞裂紋擴(kuò)展分析暫不支持非線性，僅可定義裂紋面之間的接觸。
Marc
Marc軟件進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析時，與常規(guī)分析裂紋沒有太大差別，無需定義特殊的分析類型。初始裂紋建模和裂紋的擴(kuò)展則是通過網(wǎng)格重劃分實現(xiàn)。
Marc軟件中，每次疲勞裂紋擴(kuò)展的距離有兩種控制方式。方式1：直接由Paris公式計算出擴(kuò)展的距離，逐一計算各疲勞周次。
展開 abaqus和franc3d疲勞裂紋擴(kuò)展分析對比
精確估算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，確保結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)不發(fā)生疲勞失效是疲勞裂紋研究的目的。Abaqus和Franc3D均可以模擬循環(huán)載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，本文對兩者的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。
Abaqus中可以通過直接循環(huán)法進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析，整個過程包含兩階段，（1）裂紋萌生階段；（2）裂紋擴(kuò)展階段。
裂紋萌生準(zhǔn)則如下
裂紋萌生后的擴(kuò)展速度采用基于能量釋放率的Paris公式進(jìn)行描述
Abaqus中通過設(shè)置關(guān)鍵字來引入裂紋擴(kuò)展模型。
*Fracture Criterion,TYPE=FATIGUE,MIXED MODE BEHAVIOR=POWER(BK or REEDER)
Franc3D與Abaqus的區(qū)別在于裂紋描述方式上，abaqus采用擴(kuò)展有限元方法來描述裂紋，F(xiàn)ranc3D則通過自適應(yīng)網(wǎng)格來描述裂紋。Franc3D內(nèi)置了多種疲勞裂紋擴(kuò)展速率模型，如下圖所示。
在計算疲勞裂紋擴(kuò)展時，Abaqus和Franc3D本質(zhì)上的物理機(jī)理是相同的，只是各自具體的實現(xiàn)方法有所區(qū)別。本文分別使用Abaqus和Franc3D模擬了含有預(yù)制裂紋平板的疲勞行為，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。
Abaqus中模型的幾何形狀和加載方式如下圖所示。Abaqus計算出裂紋尖端的能量釋放率，并結(jié)合式(2)進(jìn)行裂紋疲勞擴(kuò)展分析。
Franc3D中的網(wǎng)格如下所示。Franc3D對裂紋尖端網(wǎng)格進(jìn)行了楔形單元劃分，通過M-integral等方法計算出裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，結(jié)合Paris公式等進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析。
展開 改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展分析 - ANSYS Workbench ￥3
改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進(jìn)的緊湊拉伸試樣的逐步疲勞裂紋分析。
步驟 1：概述
這項工作的主要目的是提出混合模式載荷下線性彈性材料中裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進(jìn)的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的影響。
ANSYS Mechanical（工作臺）利用 ANSYS 中的一項新功能即智能裂紋擴(kuò)展技術(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測恒定幅值載荷條件下的裂紋擴(kuò)展路徑和相關(guān)的疲勞壽命。
在線彈性斷裂力學(xué) (LEFM) 假設(shè)下，采用巴黎定律模型評估具有不同 MCTS 配置的改進(jìn)緊湊拉伸試樣 (MCTS) 的混合模式疲勞壽命。該方法涉及通過增量裂紋擴(kuò)展分析準(zhǔn)確評估應(yīng)力強(qiáng)度因子 (SIF)、裂紋擴(kuò)展路徑和疲勞壽命評估。
疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果表明，疲勞裂紋始終被孔吸引，因此要么它只能彎曲路徑并向孔擴(kuò)展，要么它只能從孔中浮出并在孔消失后進(jìn)一步擴(kuò)展。就混合型載荷條件下裂紋擴(kuò)展的軌跡而言，本研究的結(jié)果與文獻(xiàn)中發(fā)表的幾項裂紋擴(kuò)展實驗的結(jié)果相一致，這些實驗顯示了類似的觀察結(jié)果。
本教程主要基于 Abdulnaser M. Alshoaibi 和 Yahya Ali Fageehi 的論文“線性彈性材料疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值分析和壽命預(yù)測”。
第 2 步：設(shè)置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析：
步驟3：工程數(shù)據(jù)（材料模型）
本教程選定的材料是“SAE 1020 碳鋼”。
材料模型由各向同性彈性、拉伸屈服強(qiáng)度、拉伸極限強(qiáng)度和巴黎定律參數(shù)（C 和 m）組成。
展開 基于XFEM的裂紋擴(kuò)展仿真過程詳解和仿真經(jīng)驗交流（二）（包括直接循環(huán)載荷步疲勞裂紋擴(kuò)展分析） ￥20
第二部分、基于XFEM_paris模型的裂紋擴(kuò)展仿真分析
相比于靜態(tài)裂紋參數(shù)計算問題，裂紋擴(kuò)展仿真在學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域更為人們所關(guān)注，常用的方法有網(wǎng)格重劃分技術(shù)、邊界元法、無網(wǎng)格方法和XFEM，其中，XFEM通過引入水平集法和單位分解等思想實現(xiàn)了實體與裂紋相互獨立，在裂紋擴(kuò)展的過程中不需要更新網(wǎng)格，提高了計算效率。ABAQUS中集成的XFEM裂紋擴(kuò)展仿真可以根據(jù)使用的模型分為三類：基于損傷力學(xué)內(nèi)聚力模型（cohesive）的牽引分離定律、基于LEFM的虛擬裂紋閉合技術(shù)（VCCT）和基于Paris公式的疲勞裂紋擴(kuò)展理論。第一種方法可以不用預(yù)制裂紋，適用于裂紋的萌生壽命分析，第二種不是很熟悉，第三種則必須預(yù)制裂紋，適用于裂紋的擴(kuò)展壽命分析。下面將對這三種操作流程進(jìn)行一一說明，以二維模型為例，三維模型基本相同。
讀者須知：經(jīng)過很多次的仿真分析，在模型和參數(shù)基本相同的情況下，筆者發(fā)現(xiàn)基于cohesive和基于VCCT模型的裂紋擴(kuò)展分析很難得到收斂，仿真難度較大，這有可能是參數(shù)設(shè)置的問題，部分參數(shù)修改之后還是能夠成功的，但也有可能是本人學(xué)藝未精，所以說只能是提及一下給個建議。但是基于Paris模型的方法仿真效果還不錯，因此本文僅對后者做詳細(xì)的說明，至于其余兩種方法只能夠簡單的說明一下其實現(xiàn)過程中的異同點。再次強(qiáng)調(diào)，本文只有基于Paris模型的direct cyclic分析步的仿真過程，誤買本帖的同學(xué)請別來罵我。
本文還將針對同學(xué)們在仿真過程中的一些問題提供解決方法和思路，其中包括：裂紋不發(fā)生擴(kuò)展、每個cycle裂紋都會擴(kuò)展一次等。
展開 
多分析步下的裂紋擴(kuò)展
通常建議在插入裂紋后做靜態(tài)裂紋分析，因為這將使用戶能夠確保裂紋模型的結(jié)果與無裂紋模型的結(jié)果一致，并提供分析步的子步SIFs。
無子步的分析步
使用上一節(jié)中的模型，完成了六步裂紋擴(kuò)展。定義了一個簡單的載荷計劃，使用所有三個分析步的最后一個子步的總和，圖10.44。這個載荷計劃的周期數(shù)如圖10.45所示。
圖10.44 使用最后一個子步之和的簡單周期性加載事件。
圖10.45 使用最后一個子步之和的簡單循環(huán)載荷事件的周期計數(shù)。
對于同一模型，在第4步裂紋擴(kuò)展時，如果用戶不小心關(guān)閉了從ABAQUS輸出所有子步的選項（見圖10.37），周期計數(shù)將受到影響。圖10.46顯示了裂紋擴(kuò)展步4和分析步2的SIF；注意子步下拉菜單是灰色的，因為只有最后一個子步的SIF。圖10.47顯示了裂紋擴(kuò)展步3的相同圖，其中顯示了所有子步的SIF。
圖10.46 裂紋擴(kuò)展步4和分析步2的SIF圖。
圖10.47裂紋擴(kuò)展步3和分析步2的所有子步的SIF圖。
使用與之前相同的載荷計劃（見圖10.44），周期計數(shù)如圖10.48所示。循環(huán)計數(shù)在裂紋擴(kuò)展步4停止，并表明ΔK低于閾值。
展開 【EDF開源CAE案例】Code_Aster對汽輪機(jī)套環(huán)的疲勞損傷與裂紋擴(kuò)展模擬
Code_Aster是法國電力集團(tuán)（EDF）研發(fā)的一款開源有限元仿真軟件，適用于固體力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等物理現(xiàn)象，具體細(xì)分為靜力學(xué)、動力學(xué)、土-結(jié)構(gòu)相互作用、流固耦合、傳熱學(xué)等方面的仿真分析，具備廣闊的應(yīng)用場景。Code_Aster通過核工業(yè)認(rèn)證，滿足法國核安全局和英國核監(jiān)管部門要求，在各工業(yè)領(lǐng)域尤其是能源電力領(lǐng)域有大量的工程和研發(fā)應(yīng)用案例。
01
研究背景
汽輪機(jī)是核電站常規(guī)島中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，負(fù)責(zé)將二回路水蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而套環(huán)是汽輪機(jī)的一種鋼制旋轉(zhuǎn)件，安裝在轉(zhuǎn)子軸的兩端，用于固定感應(yīng)器繞組的線圈頭，正常運行工況下，不僅需要承擔(dān)部分汽輪機(jī)的自重載荷，還需承受汽輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動過程產(chǎn)生的高溫和機(jī)械振動（1500轉(zhuǎn)每分鐘）。
基于這種情況，細(xì)小的缺陷也很可能導(dǎo)致汽輪機(jī)發(fā)生故障，最終造成停堆。由于汽輪機(jī)運行工況的周期性特點，汽輪機(jī)套環(huán)易發(fā)生疲勞損傷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致套環(huán)產(chǎn)生細(xì)微裂紋，或是導(dǎo)致已有的裂紋擴(kuò)展。
法國電力公司為了評估套環(huán)的安全性和生命周期，使用Code_Aster的疲勞計算模塊進(jìn)行了靜力加載的裂紋擴(kuò)展分析和循環(huán)加載的疲勞裂紋擴(kuò)展分析。
02
理論基礎(chǔ)—斷裂和疲勞擴(kuò)展的原理
斷裂的基本類型有三種：
張開性裂紋（Ⅰ型）
滑開型裂紋（Ⅱ型）
撕開型裂紋（Ⅲ型）
材料和結(jié)構(gòu)的斷裂與否常由應(yīng)力強(qiáng)度因子（Facteurs d‘intensité de contraintes）與材料的標(biāo)準(zhǔn)臨界值K c對比來判斷，而Ⅰ型裂紋在實際工程應(yīng)用是最容易斷裂的裂紋類型。
展開 ANSYS WORKBENCH疲勞裂紋擴(kuò)展分析
接上一案例，采用ANSYS WORKBENCH進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析，模型參數(shù)與上一案例相同。
當(dāng)采用圖示模型進(jìn)行計算時，會有如下報錯信息。
于是依據(jù)模型對稱性，修改模型如下。
WORKBENCH中疲勞裂紋擴(kuò)展基于應(yīng)力強(qiáng)度因子形式的paris公式，相應(yīng)材料參數(shù)中需添加圖示參數(shù)C和m。
ANSYS中提供了兩種疲勞裂紋擴(kuò)展壽命計算方式，即固定裂紋擴(kuò)展距離，計算每次擴(kuò)展對應(yīng)循環(huán)次數(shù)；或固定循環(huán)次數(shù)，計算相應(yīng)循環(huán)次數(shù)對應(yīng)裂紋擴(kuò)展距離。
在Fracture下分別設(shè)置相應(yīng)初始裂紋及裂紋擴(kuò)展參數(shù)。
分析設(shè)置中修改Fracture Controls設(shè)置。
計算結(jié)果可獲取圖示的裂紋擴(kuò)展距離、裂紋擴(kuò)展壽命曲線及相應(yīng)曲線的數(shù)值。
展開 改進(jìn)型緊湊拉伸試樣疲勞裂紋擴(kuò)展分析-ANSYS Workbench ￥3
研究的主要目標(biāo)是展示裂紋擴(kuò)展路徑的數(shù)值模型，并研究孔洞對改進(jìn)型緊湊拉伸試樣（MCTS）在恒定振幅載荷條件下疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的影響。研究使用了ANSYS Mechanical (Workbench)軟件，利用ANSYS中的智能裂紋擴(kuò)展技術(shù)來準(zhǔn)確預(yù)測裂紋擴(kuò)展路徑和相關(guān)的疲勞壽命。巴黎定律模型被用來評估不同配置的MCTS在線性彈性斷裂力學(xué)（LEFM）假設(shè)下的混合模式疲勞壽命。這種方法涉及準(zhǔn)確評估應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIFs）、裂紋擴(kuò)展路徑，并通過增量裂紋擴(kuò)展分析進(jìn)行疲勞壽命評估。疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果表明，疲勞裂紋總是被孔洞吸引，因此它要么只能彎曲其路徑并向孔洞擴(kuò)展，要么只能在孔洞丟失后從孔洞處漂浮并進(jìn)一步擴(kuò)展。在混合模式載荷條件下的裂紋擴(kuò)展軌跡方面，本研究的結(jié)果與文獻(xiàn)中發(fā)表的幾項裂紋擴(kuò)展實驗結(jié)果相似，這些實驗觀察到了類似的結(jié)果。
3. : Setup
拖動Static Structural Analysis 到 ANSYS Workbench中:
4. : Engineering Data (Material Model)
o 選擇的材料為"SAE 1020 Carbon Steel".
展開 3D裂紋擴(kuò)展分析專業(yè)軟件zencrack
做3D 裂紋擴(kuò)展分析的專業(yè)軟件，裂紋尖端的網(wǎng)格重劃分，可以做疲勞分析，可以與abaqus等相關(guān)主流軟件關(guān)聯(lián)，個人只是之前簡單用過，有試用版本，大家感興趣的可以在下面留言（7.9.3和8.0版本）或者自己去網(wǎng)上查找，試用感覺還不錯，本帖僅為做裂紋的朋友提供一種選擇，順便上傳幾個相關(guān)視頻。
Mixed mode crack growth in a circular shaft_3.mp4
Compressor disk spin test_1.mp4
Compressor disk spin test_2.mp4
Threaded connection_2.mp4
Threaded connection_3.mp4
展開 ARCAN 試樣靜態(tài)裂紋擴(kuò)展分析 - ANSYS Workbench ￥3
本教程包括 ARCAN 樣本的逐步靜態(tài)裂紋擴(kuò)展分析。
步驟 1：概述
在復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，裂紋擴(kuò)展很少以耐久性和損傷容限分析 (DADTA) 中假設(shè)的理想方式擴(kuò)展。通常，施加的載荷并不垂直于裂紋成核特征和隨后的裂紋擴(kuò)展。這種情況稱為混合型裂紋擴(kuò)展，或更籠統(tǒng)地說，三維 (3D) 裂紋擴(kuò)展。大多數(shù) DADTA 僅假設(shè) I 型載荷；因此，工程判斷用于估計理想模型中存在的誤差量。需要更好地了解混合型疲勞裂紋擴(kuò)展，以設(shè)計更好的裂紋預(yù)測模型。在混合型疲勞裂紋擴(kuò)展領(lǐng)域發(fā)表的研究成果很少，阻礙了更新、更準(zhǔn)確的 DADTA 的開發(fā)。
第 2 步：設(shè)置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析：
步驟3：工程數(shù)據(jù)（材料模型）
本教程選定的材料是“SAE 1020 碳鋼”。
材料模型由各向同性彈性、拉伸屈服強(qiáng)度和拉伸極限強(qiáng)度組成。
步驟 4：幾何（SpaceClaim 模型）
在 SpaceClaim 上創(chuàng)建的厚度為 1.01 毫米的 ARCAN 樣本的尺寸如下所示：
步驟 5：定義裂縫（命名選擇）
在定義裂紋前沿和裂紋表面時，下圖中可見的邊緣和表面被用作命名選擇：
步驟 6：定義裂紋（預(yù)網(wǎng)格裂紋和 SMART 裂紋擴(kuò)展）
利用上一步創(chuàng)建的命名選擇，“預(yù)網(wǎng)格裂紋”定義如下：
具有靜態(tài)裂紋擴(kuò)展選項和 600 MPA.mm ^ (0.5) 應(yīng)力強(qiáng)度因子的“SMART 裂紋擴(kuò)展”已通過預(yù)網(wǎng)格裂紋定義：
步驟 7：網(wǎng)格操作
已實施“面片符合方法”和“裂紋前沿細(xì)化”的默認(rèn)網(wǎng)格操作。
展開 ABAQUS裂紋尖端應(yīng)變、裂紋擴(kuò)展模擬及問題
前幾天有人問我ABAQUS做焊點分析，我一看他給我的一片文獻(xiàn)，其實是用ABAQUS做裂紋擴(kuò)展分析。之前也沒接觸過裂紋分析，于是照貓畫虎做了個算例，但是裂紋沒有擴(kuò)展。
ABAQUS做裂紋有三種方法：contour integral，擴(kuò)展有限元及VCCT法，這里用了contour integral法。
如圖所示，V形楔形處有一個預(yù)制裂紋，是采用Interaction模塊的assign seam設(shè)定的，裂紋的擴(kuò)展面及方向是通過crack來設(shè)定的，類型為contour integral。材料模型定義了塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，彈性參數(shù)、GTN參數(shù)、脆性失效參數(shù)等。模型上的兩個孔，一個固支、一個勻速拉。預(yù)期當(dāng)裂紋尖端的單元變形達(dá)到某一個值時將刪除單元。
您看見了就給個意見唄。
步驟：
建立模型，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膒artition
定義材料：分別定義了elastic彈性參數(shù)、plastic真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、GTN模型參數(shù)、脆性失效參數(shù)（包括一個叫演化參數(shù)）。
定義預(yù)制裂紋、定義裂紋擴(kuò)展面、方向，定義失效單元的generation。
邊界條件，提交job，查看結(jié)果。
結(jié)果：預(yù)期模型在塑性變形不是很大時就會產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，但是模型產(chǎn)生了很大塑性變形后仍然沒有發(fā)生失效。
Mises應(yīng)力場：
x方向正應(yīng)力場
x方向真實應(yīng)變場
x方向塑性應(yīng)變場
裂紋尖端應(yīng)變的結(jié)果還是挺漂亮的，雖然正確性有待考證，如果裂紋出來了就完美了，可惜裂紋沒出來。
展開 
ANSYS 斷裂力學(xué)新功能之SMART自適應(yīng)裂紋萌生分析
裂紋擴(kuò)展是指材料在外界因素作用下裂紋萌生、生長的動態(tài)過程。對于不考慮奇異性的裂紋擴(kuò)展分析，需要定義準(zhǔn)則來確定裂紋萌生的初始位置。新版本中使用SMART（分離、變形、自適應(yīng)和重劃分網(wǎng)格技術(shù)）分析裂紋擴(kuò)展時增加了最大主應(yīng)力準(zhǔn)則去評估裂紋萌生的時間和位置。當(dāng)滿足該準(zhǔn)則時，裂紋自動以橢圓的形狀（目前只支持橢圓裂紋）和適當(dāng)?shù)某叽绮迦氲蕉x的裂紋區(qū)域，然后程序進(jìn)行下一步的裂紋擴(kuò)展計算。
以一個簡單的demo來描述SMART自適應(yīng)裂紋萌生分析的計算步驟:
1、創(chuàng)建分析模型
如圖示緊湊拉伸試樣，一端固定，上下圓孔給定100N拉力，預(yù)測產(chǎn)生I形裂紋，最大主應(yīng)力位置在開口前沿。
圖1 計算模型
2、建立裂紋產(chǎn)生區(qū)域節(jié)點組件
圖示模型中選擇最大主應(yīng)力前沿一排節(jié)點作為裂紋產(chǎn)生區(qū)域的節(jié)點組件，并命名為CrkInitZone。
圖2 裂紋產(chǎn)生區(qū)域節(jié)點組件
3、對模型進(jìn)行初步分析，最大主應(yīng)力為61.5MPA，設(shè)定產(chǎn)生裂紋的臨界主應(yīng)力為60MPA
圖3 沒有裂紋時分析，最大主應(yīng)力云圖
4、在分析中插入如下命令流，定義裂紋產(chǎn)生準(zhǔn)則和裂紋擴(kuò)展計算選項
!! 定義最大主應(yīng)力作為裂紋萌生準(zhǔn)則，注意單位制
TB,CR KI,1（此處去掉“R”和“K”間的空格）
TBDATA,1,60
!! TB,CR KI,MAT_ID,NTEMP,NPTS（此處去掉“R”和“K”間的空格）
!! TBDATA,1,Par1
!!其中Par1是臨界最大主應(yīng)力值;CR KI,自適應(yīng)裂紋萌生準(zhǔn)則;MAT_ID材料編號（此處去掉“R”和“K”間的空格）
!!
展開 設(shè)計仿真 | Marc 基于網(wǎng)格重劃分技術(shù)的裂紋擴(kuò)展分析
MARC基于網(wǎng)格重劃分技術(shù)的裂紋擴(kuò)展分析
裂紋萌生和擴(kuò)展研究對于核工業(yè)、石油和天然氣工業(yè)、航空航天和其它工業(yè)都非常關(guān)鍵，安全問題十分重要。本案例介紹了VCCT方法使用網(wǎng)格重劃分技術(shù)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展，針對橡膠塊的裂紋進(jìn)行分析，觀察裂紋在加載過程中的增長。
01
設(shè) 置 方 法
圖1 橡膠塊模型
使用的模型（如圖1所示）是一個橡膠件，每側(cè)都有初始裂紋。采用單位厚度的平面應(yīng)變。橡膠塊的底面粘在固定的剛體上，其上側(cè)也粘在另一個剛體上，這個剛體可移動，以便加載結(jié)構(gòu)。初始網(wǎng)格也如圖1所示。初始模型中只使用了九個元素，該網(wǎng)格只需要描述幾何結(jié)構(gòu)。
圖2 橡膠件材料參數(shù)
使用典型的Mooney材料模型。所用的材料特性參數(shù)為c10=0.8 MPa和c01=0.1 MPa
圖3 裂紋擴(kuò)展設(shè)置
加載-卸載序列的時間段為1秒，該序列重復(fù)20次。VCCT選項中輸入的時間段為1。然后程序?qū)⒂涗涊d荷序列內(nèi)的最大能量釋放率以及相應(yīng)的估計裂紋擴(kuò)展方向。在每個加載序列結(jié)束時，進(jìn)行重新網(wǎng)格化，裂紋沿裂紋擴(kuò)展方向擴(kuò)展。VCCT選項中規(guī)定的0.05的量。這兩種裂縫的設(shè)置相同。
圖4 網(wǎng)格重劃分功能
每個加載序列結(jié)束時的重新網(wǎng)格為自動觸發(fā)。重新網(wǎng)格設(shè)置的唯一輸入是要使用的元素數(shù)量應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格重劃分。
02
仿 真 結(jié) 果
圖5~10顯示了疲勞情況下裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。演出了裂紋在生長中采取的路徑。從水平方向出發(fā)，轉(zhuǎn)向邊界，然后轉(zhuǎn)向再次返回。注意到裂縫尖端周圍的精細(xì)網(wǎng)格。此網(wǎng)格密度比用于網(wǎng)格重新更新。當(dāng)增長增量小于默認(rèn)網(wǎng)格密度時，它將覆蓋最小邊長度以允許在不斷增長的裂紋尖端周圍形成精細(xì)的網(wǎng)格。它還可以在每個裂紋尖端周圍設(shè)置更精細(xì)的網(wǎng)格。
展開 【CAE案例】氣冷堆（AGR）堆芯中石墨磚的裂紋擴(kuò)展分析
圖5：模型Ⅲ示意圖
模擬過程與結(jié)果分析
模擬裂紋的擴(kuò)展有很多方法，最常用的是基于Griffith微裂紋理論的方法，還有內(nèi)聚力（Cohesive Zone Modelling, CZM）方法以及基于損傷理論的方法等。本研究采用了基于Griffith微裂紋理論和損傷理論對以上三個石墨磚模型進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析。
基于Griffith理論法模擬裂紋
在結(jié)構(gòu)有限元仿真軟件中使用
DEFI_FISS_XFEM命令定義裂紋的位置，然后使用
MODE_MODELE_XFEM命令將裂紋賦予模型中，最后使用
CALC_G命令可輸出裂紋在裂尖的應(yīng)變能釋放率
G，該系數(shù)表示裂紋每擴(kuò)展單位面積所釋放出來的能量。
Gc為臨界應(yīng)變能釋放率，表示裂紋擴(kuò)展單位面積所需要的能量。在
2D模型中，若當(dāng)應(yīng)變能釋放率
G小于臨界應(yīng)變能釋放率
Gc時，裂紋不擴(kuò)展，當(dāng)
G=Gc時，裂紋擴(kuò)展；在
3D模型中，需要確定裂紋前沿擴(kuò)展的位置（
G＞
0.75Gc)。如圖
6所示為裂紋擴(kuò)展方向的確定，裂紋朝著最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展。
圖6：裂紋擴(kuò)展方向
在計算裂紋擴(kuò)展的每一個時間步，可使用網(wǎng)格自適應(yīng)模塊
Homard調(diào)整生成如圖
7的加密網(wǎng)格。
圖7：使用Homard模塊調(diào)整生成的網(wǎng)格
基于
Griffith理論法對三個模型進(jìn)行模擬，得到三個模型中的裂紋擴(kuò)展的結(jié)果如圖
8所示。
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ANSYS nCode DesignLife結(jié)構(gòu)疲勞計算與疲勞裂紋擴(kuò)展壽命分析
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