裂紋萌生及擴展的案例
A：異種金屬焊接接頭裂紋萌生和擴展的原位SEM研究
由于焊縫處柱狀晶邊界上第二相粒子的存在，裂紋先沿著滑移帶滑移，然后沿柱狀晶邊界擴展。熔合區(qū)既存在韌性斷裂，也有脆性斷裂。裂紋擴展到外延區(qū)時，很容易沿柱狀邊界擴展，發(fā)生脆性斷裂。
文獻鏈接：In-situ SEM study of crack initiation and propagation behavior in a dissimilar metal welded joint（Materials Science and Engineering: A，2018，DOI：10.1016/j.msea.2018.05.077）。
展開 基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展） ￥1.99
基于無網格SPH法的納米壓痕仿真方法（分析裂紋的萌生及擴展）
建模分析流程：
用WB建立FEM幾何模型，用APD前處理，用LSPP進行femsph轉化，生成SPH粒子，進行虛粒子約束等便捷處理，定義接觸設置求解時間，定義裂紋損傷的輸出等，最后用UE軟件對K文件進行查看，替換硬脆材料的JH-2本構模型，檢查K文件正確性等。用LSDYNA對K文件求解，用LSPP查看結果，用ORIGIN對數據結果進行處理。
結果展示：
算例丨基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發(fā)保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，本案例建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續(xù)沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
一、問題描述
滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區(qū)推動保持架轉動，而保持架在非承載區(qū)推動滾動體轉動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發(fā)生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區(qū)域A和B發(fā)生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區(qū)域A、B、C和D區(qū)域集中分布，導致該區(qū)域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。
圖1 保持架應力集中區(qū)域A、B、C和D
二、有限元建模
擴展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一種求解不連續(xù)力學問題的數值方法, 它繼承了常規(guī)有限元法(CFEM)的所有優(yōu)點, 在模擬界面、裂紋生長、復雜流體等不連續(xù)問題時特別有效, 短短幾年間得到了快速發(fā)展與應用.
展開 基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發(fā)保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，本案例建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續(xù)沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
一
問題描述
滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區(qū)推動保持架轉動，而保持架在非承載區(qū)推動滾動體轉動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發(fā)生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區(qū)域A和B發(fā)生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區(qū)域A、B、C和D區(qū)域集中分布，導致該區(qū)域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。
圖1 保持架應力集中區(qū)域A、B、C和D
二
有限元建模
擴展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一種求解不連續(xù)力學問題的數值方法, 它繼承了常規(guī)有限元法(CFEM)的所有優(yōu)點, 在模擬界面、裂紋生長、復雜流體等不連續(xù)問題時特別有效, 短短幾年間得到了快速發(fā)展與應用.
展開 
基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
Cliff_Shi 重慶大學 400044
1. 摘要
滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發(fā)保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續(xù)沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
2. 問題/任務描述
滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區(qū)推動保持架轉動，而保持架在非承載區(qū)推動滾動體轉動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發(fā)生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區(qū)域A和B發(fā)生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區(qū)域A、B、C和D區(qū)域集中分布，導致該區(qū)域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。具體參考《滾針軸承滾針—保持架沖擊碰撞特征仿真分析》一文[1]。
圖1 保持架應力集中區(qū)域A、B、C和D
3. 仿真計算采用的設備基本情況（CPU、內存等）
Intel(R) Core(TM) i7-8565U CPU @ 1.80GHz 1.99 GHz
8.00 GB (7.88 GB 可用)
Abaqus 6.14
4.
展開 設計仿真 | Marc 基于網格重劃分技術的裂紋擴展分析
MARC基于網格重劃分技術的裂紋擴展分析
裂紋萌生和擴展研究對于核工業(yè)、石油和天然氣工業(yè)、航空航天和其它工業(yè)都非常關鍵，安全問題十分重要。本案例介紹了VCCT方法使用網格重劃分技術進行裂紋擴展，針對橡膠塊的裂紋進行分析，觀察裂紋在加載過程中的增長。
01
設 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，每側都有初始裂紋。采用單位厚度的平面應變。橡膠塊的底面粘在固定的剛體上，其上側也粘在另一個剛體上，這個剛體可移動，以便加載結構。初始網格也如圖1所示。初始模型中只使用了九個元素，該網格只需要描述幾何結構。
圖2 橡膠件材料參數
使用典型的Mooney材料模型。所用的材料特性參數為c10=0.8 MPa和c01=0.1 MPa
圖3 裂紋擴展設置
加載-卸載序列的時間段為1秒，該序列重復20次。VCCT選項中輸入的時間段為1。然后程序將記錄載荷序列內的最大能量釋放率以及相應的估計裂紋擴展方向。在每個加載序列結束時，進行重新網格化，裂紋沿裂紋擴展方向擴展。VCCT選項中規(guī)定的0.05的量。這兩種裂縫的設置相同。
圖4 網格重劃分功能
每個加載序列結束時的重新網格為自動觸發(fā)。重新網格設置的唯一輸入是要使用的元素數量應進行網格重劃分。
02
仿 真 結 果
圖5~10顯示了疲勞情況下裂紋擴展的結果。演出了裂紋在生長中采取的路徑。從水平方向出發(fā)，轉向邊界，然后轉向再次返回。注意到裂縫尖端周圍的精細網格。此網格密度比用于網格重新更新。當增長增量小于默認網格密度時，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的網格。它還可以在每個裂紋尖端周圍設置更精細的網格。
展開 基于Comsol固體力學相場法模擬焊點熱應力裂紋擴展
由于反復接通和斷開電源，微電子元件受到熱循環(huán)的作用，焊點處會出現(xiàn)裂紋，斷開了芯片與印刷電路板的連接，使微電子元件失去其操作功能。</p><p> 本例基于“非線性結構材料模塊”中的模型“焊點的黏塑性蠕變”、基于相場的損傷，耦合溫度場對單個焊點進行仿真分析，分析焊點在極端熱循環(huán)下的裂紋萌生和擴展情況。</p><p> </p><div contenteditable="false" width="100%"><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/c03555933668420082284eb58bcf3090.gif" title="Untitled.gif" alt="Untitled.gif" style="max-width: 760px; width: 536px; height: 310px;" width="536" height="310" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202109/c03555933668420082284eb58bcf3090.gif?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202109/c03555933668420082284eb58bcf3090.gif?
展開 北航《IJF》：國產二代鎳基單晶合金超高周疲勞裂紋萌生競爭機制
疲勞裂紋萌生于發(fā)生嚴重內氧化之處，氧元素在超高周疲勞過程中可擴散到裂紋尖端，造成尖端動態(tài)脆化，又促進了疲勞裂紋的擴展。圖 1右下角顯示，裂紋尖端附近γ′還發(fā)生了局部的筏化。此外研究表明再結晶并不會對DD6合金的超高周疲勞性能和裂紋萌生擴展機理產生影響。
圖
1 所有溫度下的超高周疲勞S-N數據圖，1100 ℃下裂紋從表面萌生、沿{001}面擴展（mode I）及1100 ℃下的氧化與局部筏化情況匯總，紅色箭頭指出了除主要源區(qū)以外的多個裂紋萌生位置。（圖片摘要：DOI：10.1016/j.ijfatigue.2021.106343）
圖 2以示意圖的方式，說明了超高周疲勞實驗過程中裂紋由內部萌生轉變?yōu)楸砻?em>萌生的潛在機制。
圖
2 描述
超高周疲勞實驗過程中裂紋由內部萌生轉變?yōu)楸砻?em>萌生的潛在機制的示意圖：（
a）富鋁內氧化的形成；（b）氧化輔助疲勞裂紋萌生；（c）氧化與疲勞交互作用下裂紋擴展。（圖 11：DOI：10.1016/j.ijfatigue.2021.106343）
致謝：
趙子華感謝國家自然科學基金
(91860110)
和國家科技重大專項
(2017-IV-0012-0049,J2019-VI-0022)
的資助。陳博感謝英國工程與物理科學研究委員會、
EPSRC
早期事業(yè)資助計劃
EP/R043973/1
的資助。此外陳博感謝北京航空航天大學的宮聲凱教授推動了此次合作。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 批量插入嵌入0厚度cohesive粘結單元模擬沖擊載荷下裂紋擴展特征
<p>本帖給出了通過批量插入0厚度的cohesive單元，模擬在沖擊條件下，小球開裂和基體開裂兩種情況下的效果圖，對整個模型都插入cohesive單元或者對局部插入cohesive單元或者其他特定條件下的插入都可以使用程序插入，在小球沖擊情況下，裂紋的擴展過程在下面給出來了，由于參數是隨便假設的，所以效果可能不是很理想，對于不同行業(yè)，可以通過調整實際的參數可以很好地模擬裂紋的擴展，</p><p>批量插入cohesive單元：</p><div contenteditable="false" width="100%"><img src="https://img.jishulink.com/upload/201806/1528620192337_六面體單元間嵌入cohesive單元.jpg" title="六面體單元間嵌入cohesive單元.jpg" alt="六面體單元間嵌入cohesive單元.jpg" style="max-width: 760px; width: 484px; height: 274px;" width="484" height="274" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201806/1528620192337_六面體單元間嵌入cohesive單元.jpg?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/201806/1528620192337_六面體單元間嵌入cohesive單元.jpg?
展開 航空發(fā)動機葉片裂紋擴展規(guī)律數值模擬研究
針對以上問題,本文基于ABAQUS 聯(lián)合Franc3D 對壓氣機葉片進行裂紋擴展模擬仿真研究,分析初始裂紋位置、初始裂紋前緣形狀、初始裂紋方向等裂紋參數對葉片裂紋擴展的影響。
2 葉片實物及幾何結構建模
2. 1 葉片幾何模型
本文以某型航空發(fā)動機壓氣機葉片為研究對象,實物如圖1(a)所示。該葉片葉身高度為136. 2 mm,葉身寬度為68. 2 mm,初始扭轉角為10°。建立葉片幾何模型,如圖1(b)、圖1(c)所示。
圖1 葉片實物及幾何結構模型示意圖
2. 2 葉片有限元模型
使用ABAQUS 軟件建立葉片有限元模型,如圖2 所示,葉片使用六面體網格劃分,網格尺寸為1 mm,葉片前緣、后緣區(qū)域對網格進行了適當加密,網格單元總數為96 611。葉片材料為TC4 鈦合金,材料主要力學性能參數見表1 所示。
圖2 壓氣機葉片有限元模型示意圖
選取葉尖振幅1 mm 時的應力作為外部載荷[20 -21] ,對葉片進行振動模擬有限元分析,應力云圖及葉尖位移云圖如圖3 所示,葉尖振幅為1 mm 時,葉盆根部區(qū)域的前緣和后緣、及葉背根部中間區(qū)域應力分布較大,最大應力為196 MPa。
圖3 葉片位移云圖及應力云圖
2. 3 葉片裂紋擴展模型
葉片裂紋萌生及擴展通常發(fā)生于試件薄弱或者應力較大危險區(qū)域,基于圖3 葉片有限元應力分析基礎上,可以得知葉片根部區(qū)域受到的應力較大,因此Franc3D 軟件選取葉片的根部區(qū)域前緣、葉背和后緣區(qū)域作為葉片裂紋萌生位置,建立裂紋擴展初始模型,如圖4 所示,Franc3D 進行裂紋擴展所用到Paris 參數如表1 所示。
展開 【EDF開源CAE案例】Code_Aster對汽輪機套環(huán)的疲勞損傷與裂紋擴展模擬
汽輪機套環(huán)的幾何模型
汽輪機套環(huán)的網格
汽輪機套環(huán)的裂紋萌生和擴展風險主要來源有兩點：
啟堆和停堆期間的汽輪機軸速（離心力）變化，這將導致汽輪機套環(huán)的鼓脹和軸向裂紋發(fā)生；
交變電流產生的熱量引起線圈受熱膨脹，由內而外地對套環(huán)進行擠壓，這將導致汽輪機套環(huán)容易發(fā)生周向裂紋。
對比兩種導致裂紋產生的原因，熱膨脹引起的周向裂紋概率遠大于軸速變化引起的軸向裂紋。
因此在本研究中僅考慮了周向裂紋，選取其常見的表征類型Ⅰ型（張開型）裂紋。
計算模型主要考慮：
復雜的熱力學邊界條件；
接觸和摩擦問題（套環(huán)和線圈等）；
不同尺寸的橢圓形裂紋缺陷，使用擴展有限元方法（X-FEM，該方法無需畫出裂紋形狀的網格）。
汽輪機套環(huán)的邊界條件
橢圓形裂紋缺陷
04
計算結果分析
汽輪機套環(huán)的高斯應力云圖
code_aster的CALC_G模塊提供了計算應力強度因子的功能，能夠直接輸出觀測點上的應力強度因子。
在本研究中，我們對套環(huán)最容易產生裂紋的部位（槽）建立了X-FEM單元的橢圓張開型裂紋。下圖為不同尺寸的裂紋和不同方向上的應力強度因子曲線：
各方向上裂紋尖端的應力強度因子
從圖中可觀察到，左右兩側的裂紋存在應力集中現(xiàn)象，應力強度因子最大，即裂紋擴展速率最快；而隨著初始裂紋尺寸的增大，應力強度因子的最大值也在增大。
展開 
生成數條裂紋，用插入cohesive單元做二維巖石切削 ￥30
# 采用插入Cohesive單元生成多裂紋開展二維巖石切削模擬的必要性
在二維巖石切削數值模擬中，采用**插入Cohesive單元法生成多裂紋**是精準刻畫切削過程中巖石損傷、裂紋萌生-擴展-貫通及碎屑形成的核心技術手段，其必要性可從力學機理表征、數值計算精度、工程適用性三個維度展開分析。
從力學機理層面看，巖石切削本質是刀具與巖石接觸區(qū)的應力集中引發(fā)的脆性斷裂過程，伴隨多條微裂紋的萌生、擴展與貫通。Cohesive單元基于**內聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）**，可通過定義牽引-分離準則，精準描述巖石材料的斷裂過程：單元內部應力達到粘結強度前，表現(xiàn)為彈性變形；應力超過閾值后，單元剛度退化并伴隨能量耗散，直至單元失效形成裂紋。相較于傳統(tǒng)的脆性開裂模型（如最大主應力準則），Cohesive單元能夠同時表征巖石的**張開型（Ⅰ型）、滑開型（Ⅱ型）及混合型裂紋擴展**，完美契合切削過程中多裂紋的復雜擴展模式，而直接通過網格劃分預設裂紋的方法無法模擬裂紋的動態(tài)萌生過程，難以反映真實切削機理。
從數值計算精度層面分析，插入Cohesive單元法可實現(xiàn)多裂紋的自主演化與相互作用。在二維切削模型中，刀具擠壓巖石會在刃口前方形成應力集中區(qū)，同時在切削面下方產生次生裂紋，多條裂紋的擴展路徑相互影響，最終決定碎屑形態(tài)與切削力波動特征。Cohesive單元可預先嵌入巖石基體網格的薄弱面（如顆粒邊界、層理面）或全域分布，當局部應力滿足斷裂準則時，單元自動失效形成裂紋，無需人為預設裂紋路徑，有效避免了預設裂紋帶來的主觀性誤差。此外，Cohesive單元的剛度退化過程可平滑模擬裂紋擴展的能量耗散，解決了傳統(tǒng)有限元模擬中裂紋擴展時的網格畸變與計算不收斂問題，提升了切削力、裂紋擴展長度等關鍵參數的計算精度。
展開 abaqus和franc3d疲勞裂紋擴展分析對比
精確估算出結構的疲勞壽命，確保結構在服役期內不發(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展行為，本文對兩者的模擬結果進行了對比分析。
Abaqus中可以通過直接循環(huán)法進行疲勞裂紋擴展分析，整個過程包含兩階段，（1）裂紋萌生階段；（2）裂紋擴展階段。
裂紋萌生準則如下
裂紋萌生后的擴展速度采用基于能量釋放率的Paris公式進行描述
Abaqus中通過設置關鍵字來引入裂紋擴展模型。
*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采用擴展有限元方法來描述裂紋，F(xiàn)ranc3D則通過自適應網格來描述裂紋。Franc3D內置了多種疲勞裂紋擴展速率模型，如下圖所示。
在計算疲勞裂紋擴展時，Abaqus和Franc3D本質上的物理機理是相同的，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模擬了含有預制裂紋平板的疲勞行為，并對模擬結果進行了對比。
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，并結合式(2)進行裂紋疲勞擴展分析。
Franc3D中的網格如下所示。Franc3D對裂紋尖端網格進行了楔形單元劃分，通過M-integral等方法計算出裂紋尖端的應力強度因子，結合Paris公式等進行疲勞裂紋擴展分析。
展開 Abaqus內置LaRC05失效準則子程序介紹 ￥9.9
UVARM子程序需要以“ABQ_LARC05_DMGCRT”作為材料名的前綴，可以用來評估是否滿足LaRC05強度指標；DMGINI子程序需要以“ABQ_LARC05_DMGINI”作為材料名前綴，可以結合XFEM來分析裂紋萌生和擴展。
在abaqus中可以通過修改關鍵字來進行模型設置
UVARM設置
DMGINI設置
輸出變量的含義
計算結果
[1].Pinho, S.T., et al., Material and structural response of polymer-matrix fibre-reinforced composites. Journal of Composite Materials, 2012. 46(19-20): p. 2313-2341.
[2].Pinho, S.T., G.M. Vyas and P. Robinson, Material and structural response of polymer-matrix fibre-reinforced composites: Part B. Journal of Composite Materials, 2013. 47(6-7): p. 679-696.
有關于復材的問題可以加Q1653004885或者關注公眾號CAE320
展開 Abaqus內置LaRC05失效準則子程序（附cohesive單元umat子程序開發(fā)教程）
UVARM子程序需要以“ABQ_LARC05_DMGCRT”作為材料名的前綴，可以用來評估是否滿足LaRC05強度指標；DMGINI子程序需要以“ABQ_LARC05_DMGINI”作為材料名前綴，可以結合XFEM來分析裂紋萌生和擴展。
在abaqus中可以通過修改關鍵字來進行模型設置
UVARM設置
DMGINI設置
輸出變量的含義
計算結果
此外，如果有小伙伴希望學習cohesive單元的umat子程序開發(fā)相關技術，可以關注下圖的教程：
點擊鏈接進入了解詳情：Abaqus Cohesive單元介紹及其本構的Umat子程序開發(fā)教程
最后，有ABAQUS子程序開發(fā)相關需求歡迎通過微信公眾號聯(lián)系我們。
微信公眾號：320科技工作室。
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