橢圓裂紋
關注創(chuàng)建者：大龍貓?? 創(chuàng)建時間：2021-05-07
橢圓裂紋的視頻教程
基于ANSYS workbench2023R1 熱結(jié)構(gòu)耦合隨機半橢圓裂紋
基于ANSYS workbench2023R1 熱結(jié)構(gòu)耦合隨機半橢圓裂紋，只能支持順序耦合
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ABAQUS管道環(huán)向橢圓裂紋斷裂參量計算-應力強度因子K、J積分、蠕變參量Ct
實戰(zhàn)演練-斷裂力學參量計算 應力強度因子-K因子、J積分、蠕變參量Ct的有限元計算
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橢圓裂紋的實例教程
基本模型如下，在綠色表面分別建立半橢圓裂紋(Semi-Elliptical Crack)和隨機裂紋(Arbitrary Crack)進行計算：
一、半橢圓裂紋(Semi-Elliptical Crack)
1、建立局部坐標系如下圖，注意x軸指向裂紋深度方向，z軸指向裂紋長度方向：
2、添加半橢圓裂紋
選中Model單擊工具欄Fracture即可添加裂紋功能如下圖：
右擊Fracture->Insert->選擇Semi-Elliptical Crack添加半橢圓裂紋如下圖：
3、半橢圓裂紋參數(shù)設置及說明
4、網(wǎng)格設置及劃分
單元階數(shù)設置為二階如下圖：
單元形狀設置為四面體如下圖：
右擊選擇Generate All Crack Meshes生成網(wǎng)格如下圖：
5、加載
底面施加固定約束，頂面施加拉力10000N如下圖：
6、查看計算結(jié)果
除查看變形、應力等結(jié)果外，可以添加Fracture Tool查看裂紋尖端強度因子如下圖：
Fracture Tool選擇Semi-Elliptical Crack如下圖：
應力強度因子結(jié)果如下圖：
二、隨機裂紋(Arbitrary Crack)
1、建立裂紋體如下圖中Surface Body：
2、建立局部坐標系如下圖，注意x軸指向裂紋深度方向，z軸指向裂紋長度方向：
3、添加隨機裂紋
隨機裂紋的形狀不固定，這里做成了長方形。
展開 圖 4 井下鉆具組合的損傷圖
圖5 井下鉆具組合的壽命圖
3.2 無裂紋的BHA 的疲勞分析結(jié)果
圖 6 不同裂紋隨加載歷史壽命的變化規(guī)律
有初始裂紋的鉆柱與無初始裂紋的鉆柱，其破壞機理不同，疲勞壽命也不同；對有裂紋的鉆柱，由于鉆柱的初始裂紋形狀不同，每種裂紋的應力強度因子不同，因此疲勞壽命也不同，尤其以表面線性裂紋的影響最大，所以應特別注意避免機械損傷鉆柱的外表面。下面主要針對具有表面線性裂紋、深埋圓形裂紋、表面半橢圓裂紋和深埋橢圓裂紋的BHA進行了疲勞壽命的預測。
由上圖可以看出，表面線性裂紋的下部鉆具組合（BHA）的疲勞壽命計算結(jié)果為3.09e+007 次；深埋圓形裂紋的BHA 的疲勞壽命計算結(jié)果為2.18e+008 次；深埋橢圓形裂紋的 BHA 的疲勞壽命計算結(jié)果為1.01e+008 次。表面半橢圓裂紋的BHA 的疲勞壽命為5e+007 次。計算結(jié)果符合現(xiàn)場的使用情況。
3.3 裂紋長度對BHA 壽命的影響
各種裂紋在某一次循環(huán)載荷的作用下都將發(fā)生擴展，隨著裂紋的擴展，擴展后的裂紋尖端的應力強度因子也將產(chǎn)生變化。這一變化按產(chǎn)生的原因可以分為兩大類：第一類是自身幾何尺寸的變化導致的應力強度因子的增大；另一類是由于自身以及其他裂紋幾何尺寸的變化而導致的應力強度因子綜合構(gòu)形系數(shù)的變化。本文主要研究了第一類影響—裂紋長度的變化，對于鉆柱疲勞壽命的影響。
圖 7 所示為基于ANSYS-Workbench 的具有表面線性裂紋、深埋圓形裂紋、表面半橢圓裂紋和深埋橢圓裂紋的BHA 的疲勞壽命隨著不同形狀裂紋長度的不同的變化曲線。由圖可知，不管裂紋形狀如何，下部鉆具組合的疲勞壽命隨著裂紋長度的增加都呈現(xiàn)降低的趨勢。
展開 AGGR – 激進的網(wǎng)格粗化策略
5、設定載荷分析子步，建議設定較多的初始載荷子步和最小載荷子步捕捉裂紋擴展過程，本例設定了40個載荷步。
6、提交計算，計算過程中，在求解信息中會出現(xiàn)如圖中是否達到裂紋插入準則信息提示。達到準則之后程序會自動插入橢圓形裂紋和計算插入的橢圓形裂紋坐標位置和長短軸長度，以及輸出使用smart方法計算時重劃分網(wǎng)格的數(shù)目信息。
圖4求解過程信息提示
程序在確認橢圓形裂紋坐標位置時，會在每個子步標記所有滿足裂紋萌生條件的節(jié)點，并將它們分組到節(jié)點云中。節(jié)點云的幾何中心是橢圓的中心。離橢圓中心最近的節(jié)點稱為種子節(jié)點。然后通過各種矢量計算的方法，計算出橢圓長短軸的方向和長度，如幫助文件中截圖所示，有興趣的朋友可以詳細查詢幫助文件。
圖5 自動確認橢圓形裂紋的計算方法
7、計算結(jié)果分析
如圖所示，在0.825S之后滿足最大主應力準則，產(chǎn)生裂紋并使用smart方法進行裂紋擴展計算。裂紋擴展過程中，裂紋尖端區(qū)域附近網(wǎng)格自動加密。
圖6 裂紋自動產(chǎn)生前后最大主應力結(jié)果對比
圖7 采用不同策略粗化網(wǎng)格計算結(jié)果
（左圖激進粗化，右圖保守粗化）
作者：李桂花 上海安世亞太公司
展開 在此基礎上對16V240機車柴油機曲軸的最危險曲拐進行最大和最小工況下的三維有限元分析,確定裂紋易產(chǎn)生的危險截面,求解危險截面處不同深度和形態(tài)的表面橢圓裂紋的應力強度因子,并擬合關于橢圓裂紋特征參數(shù)及總體坐標下的等效應力強度因子的近似表達式。為預測含裂紋曲軸的承載能力、剩余壽命、制定判廢標準等提供相關的疲勞斷裂參數(shù)。
曲軸的疲勞斷裂分析.pdf
而裂紋擴展主要考察的是窄縫，并且有尖端的情況下在窄縫受到兩側(cè)力的作用，在其尖端產(chǎn)生大的應力，當應力達到破壞強度的情況下，裂紋繼續(xù)向前擴展，然后尖端應力會下降，之后將停止擴展，結(jié)果可以查看裂紋擴展的距離和應力變化過程，目前ANSYS Workbench可以完成的裂紋擴展有以下幾種
1.bond接觸開裂擴展裂紋，沿著bond的線開裂，結(jié)果如下圖所示，可以2D可以3D
2.尖端裂紋自由smart擴展裂紋，采用靜力單次擴展，擴展方向未知
3.尖端裂紋表面橢圓方式裂開，表面裂紋開裂
以上為裂紋擴展的一些方式，具體操作有很多種，而且大部分操作都不容易成功，很多情況都會報錯，需要細細體會其用法。
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橢圓裂紋的最新內(nèi)容
葉片裂紋擴展模型編號依次為L01、L02 和L03,其中前緣和后緣位置上的裂紋為角裂紋,葉背位置上裂紋為邊裂紋,角裂紋為前緣形狀為1/4 橢圓,邊裂紋前緣形狀為1/2 橢圓。葉根前緣、葉背、后緣上初始裂紋位置如圖5 所示,網(wǎng)格劃分情況如圖6 所示。
Ansys nCode Design Life
總結(jié)
1、斷裂參數(shù)計算：橢圓形裂紋
半橢圓表面裂紋位于與較重管道徑向平行的平面上。
將圍繞裂紋前端創(chuàng)建一個圓環(huán)，以控制裂紋前端的網(wǎng)格。焊趾處的半橢圓表面裂紋沿焊接接頭彎曲，并且在厚度方向上垂直于直徑323.85 mm管道的外表面。
美國空軍把殘骸送交通用動力執(zhí)行破斷面檢驗(Metallurgical Examination)，結(jié)果在機翼樞紐接頭下緣發(fā)現(xiàn)有個制造過程遺留的半橢圓形淬火裂紋(Quench Crack)，寬約2.5厘米，深度幾乎穿透厚度，此初始裂紋在經(jīng)過大約100飛行架次后，就生長到使接頭強制破壞的臨界長度。
支持橢圓形裂紋（結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格實現(xiàn)）、任意裂紋（非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格實現(xiàn)）、預定義裂紋的應力強度因子、能量釋放率、J積分、C積分、材料力等斷裂力學參數(shù)的計算。
新工藝設計（增材）
面臨挑戰(zhàn)
‐ 增材制造技術在國外航空發(fā)動機上應用廣泛。GE9X， LEAP都大量采用增材制造。
半橢圓裂紋位于平行于較重管道徑向的平面上。
圍繞裂紋前沿創(chuàng)建一個圓環(huán)，以控制裂紋前沿的網(wǎng)格。在焊趾處的半橢圓形表面裂紋沿焊接接頭彎曲，并垂直于外部直徑為323.85mm的管道的厚度方向。
達到準則之后程序會自動插入橢圓形裂紋和計算插入的橢圓形裂紋坐標位置和長短軸長度，以及輸出使用smart方法計算時重劃分網(wǎng)格的數(shù)目信息。
圖4求解過程信息提示
程序在確認橢圓形裂紋坐標位置時，會在每個子步標記所有滿足裂紋萌生條件的節(jié)點，并將它們分組到節(jié)點云中。節(jié)點云的幾何中心是橢圓的中心。離橢圓中心最近的節(jié)點稱為種子節(jié)點。
斷裂力學J積分及強度因子等重要概念
案例5：T向焊接件焊縫表面裂紋熱固耦合應力強度因子計算
案例6：壓力容器表面橢圓裂紋J積分算法
案例7：多裂紋板裂紋尖端T應力計算
案例8：中心裂紋拉伸作用蠕變過程C*積分計算
案例9：3D雙臂梁界面擴展模擬
案例10：三點彎曲三維裂
ABAQUS
斷裂與損傷常見注意事項
幾種常見的斷裂與損傷分析過程
在該金屬圓筒的內(nèi)表面，存在一個半橢圓形的平面裂紋，長軸方向沿金屬管道軸向，整個管道在一定的內(nèi)部的壓力作用下變形。
Semi-Elliptical Crack ，
該方法是最簡單直接的一種方法，直接在表面添加合適的參數(shù)，即可生成網(wǎng)格，顯示成橢圓的裂紋，顯示需要的應力強度因子，該模型主要應用于管道一類的外表面，其案例如下圖所示
5.子模型方法添加裂紋
在整體模型中計算受力結(jié)果和應力分布，然后在子模型中添加裂紋，其結(jié)果同樣能顯示需要的應力強度因子
