初始裂紋
關注創建者：淵魚 創建時間：2022-11-28
初始裂紋的視頻教程
ABAQUS帶初始裂紋的節點低周疲勞裂紋擴展
若有討論，請私信；若有錯誤，請指教，并見諒，謝謝； 主要講解了ABAQUS中xfem帶預制裂紋的梁柱節點在低周（1000次）往復位移（1mm）載荷下產生的疲勞裂紋擴展； 講解了部分參數意義以及paris理論在abaqus中部分參數的獲取（c3,c4）的兩種計算方法 講解了部分參數的意義及影響 本視頻主要講解建模及模型調試建議，若有錯誤，請大家多多指教，謝謝
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沉澱原創精品系列7：批量插入cohesive element模擬裂紋任意路徑擴展
課程主要講解如何在模型中批量插入cohesive模擬裂紋任意路徑擴展，預置了初始裂紋的模型中初始裂縫該如何設置出來，結合cohesive element的視頻可以快速掌握批量插入cohesive element模擬隨機開裂。觀看后相信會對cohesive體系再有更深入的理解。
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初始裂紋的實例教程
案例說明
在現實中的絕大多數材料并非均質，材料內部難免會存在一定數量的缺陷，如微觀孔隙、裂紋等，同時由于生成工藝的不同這些微損傷可能存在各向異性，本案例提供在微觀裂紋數目及長度一致的情況下，初始裂紋分布對材料力學性能的基礎分析。
模擬過程
首先建立隨機裂紋分布模型，裂紋數目均為100條，采用四種不同走向的裂紋分布模式：
這里建模用到了CAD隨機纖維2D插件，分別生成45°相交裂紋、隨機走向裂紋、豎向走向裂紋、水平走向裂紋。同時為了方便網格劃分及計算，通過插件限定裂紋之間保持一定的間距。
模型建立完成后進行網格劃分、設置材料屬性、建立分析。這里為了方便計算，進行固體力學穩態分析，設置試件下邊界為固定約束，在上邊界添加相同大小的均布拉力。
進行模型分析，查看應力結果：
建模插件：
CAD隨機纖維2D
展開 以葉背表面邊裂紋和葉片后緣角裂紋為研究對象,通過Franc3D 依次對初始形貌a0 / c0 =0. 2、0. 4、0. 6 和0. 8 的裂紋進行擴展模擬仿真,葉背邊裂紋擴展模型編號依次為L04、L05、L06 和L07,葉片后緣角裂紋擴展模型編號依次為L08、L09、L10 和L11,裂紋初始長度c0 均設置為2 mm,裂紋最終長度cc 設置為10 mm,裂紋擴展模型初始裂紋初始深度a0 分別設置為0. 4 mm、0. 8mm、1. 2 mm 和1. 6 mm,裂紋方向均設置為水平方向擴展。
不同初始前緣形狀的裂紋擴展情況如表3 所示。對比不同初始前緣形狀的邊裂紋或角裂紋,可以發現當裂紋表面長度c0 一定時,a0 / c0 越大,即初始裂紋深度a0 越大,葉片裂紋擴展壽命越短;對比相同初始前緣形狀的邊裂紋和角裂紋,發現葉片后緣的角裂紋擴展壽命略高于葉背的邊裂紋壽命,原因是由于葉片根部的后緣區域應力低于葉背區域導致。
不同初始前緣形狀的邊裂紋和角裂紋前緣形貌擴展模擬結果如圖8、圖9 所示。從其中可以看出無論邊裂紋還是角裂紋,初始裂紋前緣形狀對于裂紋表面方向的擴展影響很小,L04 ~ L07 及L08 ~ L11 的表面裂紋擴展情況基本一致;但初始裂紋前緣形狀對于模型裂紋深度方向的擴展影響較大,L04 ~ L07 及L08 ~ L11 的裂紋深度變化情況存在較為明顯的差別,分析原因為a0 / c0 越小,則定值c0 對應的初始裂紋深度a0 越小,在彎曲載荷作用下越靠近葉片表面應力越大裂紋擴展越迅速,裂紋延深度方向擴展速率更快,使得裂紋擴展后的最終裂紋前緣形狀趨于相同。
展開 1基本理論
在進行疲勞裂紋擴展計算時，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還提供了應力強度因子形式的paris公式。兩種公式形式下的參數C和m有所不同。
Abaqus通過下式判斷疲勞裂紋何時開始擴展
而Marc則通過在分析工況中選中相應的初始裂紋，通過設置多個分析工況，控制裂紋開始擴展的時間。
2軟件分析過程
ABAQUS
Abaqus進行疲勞裂紋擴展分析時，分析步需選擇Direct cyclic。另需編輯關鍵字，輸入參數C、m等。
初始裂紋建模與其它類型的裂紋相似，通過擴展有限元方式建立初始裂紋及實現裂紋的擴展，因此初始裂紋需剛好穿過整數個單元，才能實現初始裂紋的準確建模。Abaqus中，每次疲勞裂紋擴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公式計算出對應的疲勞周次，直接跳轉到相應的循環次數，進行后續的計算。
Abaqus軟件的疲勞裂紋擴展分析暫不支持非線性，僅可定義裂紋面之間的接觸。
Marc
Marc軟件進行疲勞裂紋擴展分析時，與常規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展則是通過網格重劃分實現。
Marc軟件中，每次疲勞裂紋擴展的距離有兩種控制方式。方式1：直接由Paris公式計算出擴展的距離，逐一計算各疲勞周次。
展開 目前疲勞理論對于材料微裂紋的形成和擴展過程中的某些效應無法全面徹底地分析其機理，因此在此基礎上發展而來的各種方法在某些情況下可能導致結果誤差很大；
2. 各種疲勞分析有限元法對應力類型及作用方式十分敏感，而實際工程中這些因素往往無法精確得到，造成結果分散性相當大；
3. 很難預先判斷易發生疲勞破壞的危險區域，而想要對其中所有可能發生初始裂紋的節點進行細化建模分析目前顯然不太現實；
4. 不確定因素如載荷時間歷程的復雜性、模型試驗結果的分散性、殘余應力及腐蝕影響等，可能導致結果與實際情況存在量級上的偏差。
對于常用的疲勞分析軟件Fatigue，其自帶三種分析方法適用范圍如下：
1. S-N曲線總壽命分析法：
疲勞壽命相當長的結構，且很少發生塑性變形；
裂紋初始化及裂紋擴展模型不適用的結構如復合材料、焊接材料、塑料以及一些非鋼結構；
已有針對結構的大量現成S-N數據的情形；
焊接熱點區域疲勞分析以及隨機振動引發的疲勞問題。
2. 適用裂紋初始化分析法的情形：
基本沒有缺陷的金屬構件；
對安全性要求高，把初始裂紋的發生作為疲勞失效準則的構件；
確定哪些節點可能會發生疲勞初始裂紋并研究裂紋擴展情況時；
分析結構使用不同材料以及不同表面處理情況的影響效應時；
各項同性且延展性強的金屬材料構件，具有對稱的循環應力-應變曲線；
塑性占據主要地位的低周疲勞。
3.
展開 首先點擊按邊進行播種，按住shift鍵，并選中plate的四條邊，點擊鼠標中鍵，進入編輯界面，選擇by number按照種子數量的方式進行播種，種子的數量為59（這里選擇為基數的原因是必須要保證xfem初始裂紋的位置位于網格的內部，而不能再網格的邊界上，否則會影響裂紋擴展的準確性，其根據各位可以去考究，本人是從網上找到的信息，出處不詳，歡迎補充），點擊ok完成種子播種。
然后點擊assign mesh control，指定劃分網格的技術，進入編輯界面，選擇quad全部為四邊形，structured，點擊OK；再點擊assign element type指定網格類型，進入編輯界面，在單元族family里選擇plain strain平面應變類型，其他的接受默認設置，點擊OK，最后的網格代號為CPE4。最后點擊mesh part生成網格。
圖7
6. 設置接觸條件，建立XFEM初始裂紋以及定義斷裂準則（這一步非常關鍵）。
首先進入到interaction模塊，找到special選項里的crack，點擊creat創建裂紋，選擇XFEM，點擊OK后，首先先點擊裂紋所在的區域，也就是點擊本例子中的plate，然后進入編輯界面，勾選crack location，然后點擊旁邊的箭頭，選擇我們裝配好的裂紋線，再勾選specify contact property，因為還沒有建立接觸屬性，所以我們可以點擊編輯界面里的來創建一個接觸屬性，進入contact property的編輯界面，我們只需要創建一個normal behavior，此選項可在mechanical里找到，參數設置如下圖，創建完點OK，回到XFEM crack的編輯界面，選擇剛剛創建的contact property后，點擊OK，完成XFEM 初始裂紋的創建。
展開 
初始裂紋的最新內容
為了測量和驗證金屬材料的彎曲強度與斷裂韌性之間的關系，需要制作包含初始裂紋的三點彎曲試樣。選取矩形橫截面試樣在isolver中建模，分析其在塑性變形的情況下，軟件應力、應變、塑性應變等關鍵參數與主流有限元軟件的吻合度。該結構選用的單位制為SI(mm)制，結構材料為Q235B，其彈性模量為210e3MPa，泊松比為0.33，密度為7.85e-9tonne/mm3。采用全實體四面體網格進行劃分。
圖 E
Part.07
總 結
我們對x型肋梁演示零件的驗證研究表明，實驗和模擬之間在初始裂紋位置以及力-位移曲線，吸收能量-位移曲線在定量方面都非常一致。這證明Digimat材料卡片能夠使我們的客戶能夠獲得準確的模擬結果。
Envalior是熱塑性材料科學的全球領導者，提供全套一流的熱塑性塑料材料解決方案和全球應用開發支持。通過創新和市場領先的可持續產品，我們讓創意變為現實。
為了深入研究單晶鋁在裂紋存在時的行為，建立了兩種三維單晶鋁帶有預制初始裂紋的模型。這兩種模型是基于單晶鋁的嚴格面心立方晶格結構設計的，其中晶格常數a被設定為0.405 nm，這是鋁在室溫下的典型晶格尺寸。
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。
我們確保將初始裂紋擴展模式設置為“直接”，將裂紋擴展方法設置為“釋放約束”，并輸入裂紋擴展阻力（Gc=7×106 N/m），以確定何時應出現裂紋擴展。
圖4 裂縫屬性菜單
圖5 VCCT裂紋擴展屬性菜單
03 結果
圖6和圖7顯示了模型的變形形狀和膠層的接觸狀態。鋼板向下彎曲，缺陷區域彎曲。當然，這會隨VCCT和粘性材料的選定值而變化。
FE-SAFE的計算結果表明，結構在相當于行駛27000公里時出現初始裂紋。考慮疲勞軟件計算的裂紋起始，這一結果與實驗吻合得非常好。而且開裂位置與實驗結果完全一樣。
在轉向節的疲勞模擬中，考慮到在車輛行駛過程中，由于路面情況復雜，常常會遇到瞬時受載過大的情況。這些瞬時的大載荷會對零件的疲勞壽命產生比較大的影響。因為在大載荷下，零件極容易進入塑性工作。
橡膠體疲勞案例介紹
以橡膠件，襯套為例，首先在現有的橡膠材料模型參數的參數基礎上，需增加用于彈性體疲勞計算的參數，如下圖所示：
其中，系數Wmax、rc、N、c0、分別為臨界撕裂能量，最大裂紋擴展速率，指數系數，初始微裂紋尺寸。模型計算時不考慮載荷比值的修正。其次，定義橡膠襯套的載荷計算工況。
橡膠體疲勞案例介紹
以橡膠件，襯套為例，首先在現有的橡膠材料模型參數的參數基礎上，需增加用于彈性體疲勞計算的參數，如下圖所示：
其中，系數Wmax、rc、N、c0、分別為臨界撕裂能量，最大裂紋擴展速率，指數系數，初始微裂紋尺寸。模型計算時不考慮載荷比值的修正。其次，定義橡膠襯套的載荷計算工況。
橡膠體疲勞案例介紹
以橡膠件，襯套為例，首先在現有的橡膠材料模型參數的參數基礎上，需增加用于彈性體疲勞計算的參數，如下圖所示：
其中，系數Wmax、rc、N、c0、分別為臨界撕裂能量，最大裂紋擴展速率，指數系數，初始微裂紋尺寸。模型計算時不考慮載荷比值的修正。其次，定義橡膠襯套的載荷計算工況。
實際構件很可能已存在初始微小裂紋或宏觀裂紋，其壽命僅指疲勞裂紋擴展部分，原有的疲勞曲線方法就不適用。斷裂力學在疲勞裂紋擴展中的應用提供了有效的方法，其壽命主要取決于疲勞裂紋擴展速率da/dN(a為裂紋尺寸)和斷裂的臨界裂紋尺寸ac。
? Ansys技術方案
‐ 圍繞裂紋頂點的有限元單元應該是二次奇異單元，其中節點放到1/4邊處。
