裂紋分析
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-22
裂紋分析的視頻教程
【視頻教程+模型實例】Abaqus+Franc3D三維裂紋擴展分析
【視頻教程+模型實例】Franc3D裂紋擴展分析 Franc3D+Abaqus 快速求解半橢圓型裂紋前緣應力強度因子 Franc3D+Abaqus 手動裂紋擴展分析 Franc3D+Abaqus 自動裂紋擴展分析 【附件中是相應的模型及計算結果文件】
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Abaqus有限元分析視頻教程—專題篇（裂紋）
本套視頻為Abaqus有限元視頻教程實例篇的進階篇-Abaqus有限元分析視頻教程專題篇(裂紋)，主要是針對有Abaqus軟件操作基礎的中級學員。本套教程主要通過Abaqus有限元分析軟件對相關裂紋實例進行分析和指導，讓Abaqus的中級學員學會基本裂紋分析流程和操作方法及結果判讀。
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ABAQUS疲勞分析專題-汽車懸置架疲勞分析-預制裂紋循環載荷下的疲勞裂紋擴展-腐蝕鋼絲疲勞壽命計算等
預制裂紋循環載荷下的疲勞裂紋擴展 本模塊將重點介紹如何在ABAQUS中模擬預制裂紋的疲勞擴展。通過循環載荷作用下的裂紋擴展分析，我們將探討裂紋增長過程中的關鍵參數，包括裂紋尖端的應力強度因子、裂紋生長速率及其與材料疲勞性能的關系。學員將掌握如何在ABAQUS中建立合適的裂紋模型，并通過后處理模塊分析裂紋擴展路徑和裂紋壽命，評估其對整體結構安全性的影響。
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裂紋分析的實例教程
通常建議在插入裂紋后做靜態裂紋分析，因為這將使用戶能夠確保裂紋模型的結果與無裂紋模型的結果一致，并提供分析步的子步SIFs。
無子步的分析步
使用上一節中的模型，完成了六步裂紋擴展。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載荷事件的周期計數。
對于同一模型，在第4步裂紋擴展時，如果用戶不小心關閉了從ABAQUS輸出所有子步的選項（見圖10.37），周期計數將受到影響。圖10.46顯示了裂紋擴展步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顯示了裂紋擴展步3的相同圖，其中顯示了所有子步的SIF。
圖10.46 裂紋擴展步4和分析步2的SIF圖。
圖10.47裂紋擴展步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），周期計數如圖10.48所示。循環計數在裂紋擴展步4停止，并表明ΔK低于閾值。
展開 改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進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展路徑的數值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對疲勞裂紋擴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展技術，準確預測恒定幅值載荷條件下的裂紋擴展路徑和相關的疲勞壽命。
在線彈性斷裂力學 (LEFM) 假設下，采用巴黎定律模型評估具有不同 MCTS 配置的改進緊湊拉伸試樣 (MCTS) 的混合模式疲勞壽命。該方法涉及通過增量裂紋擴展分析準確評估應力強度因子 (SIF)、裂紋擴展路徑和疲勞壽命評估。
疲勞裂紋擴展結果表明，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展，要么它只能從孔中浮出并在孔消失后進一步擴展。就混合型載荷條件下裂紋擴展的軌跡而言，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗的結果相一致，這些實驗顯示了類似的觀察結果。
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展路徑的數值分析和壽命預測”。
第 2 步：設置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態結構分析：
步驟3：工程數據（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、拉伸屈服強度、拉伸極限強度和巴黎定律參數（C 和 m）組成。
展開 通過選取HEVISIDE函數作為刻畫不連續性的形函數，Code_Aster給出了合理的裂紋位移場計算結果。
此外，以上的例子還可以從單一的裂紋推廣至多個裂紋的分析。利用Code_Aster的擴展有限元算法還能夠分析裂紋的疲勞擴展行為，包括二維裂紋擴展，三維裂紋平面擴展和非平面擴展，基本覆蓋了大部分裂紋分析的需求。
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展開 裂紋擴展是指材料在外界因素作用下裂紋萌生、生長的動態過程。對于不考慮奇異性的裂紋擴展分析，需要定義準則來確定裂紋萌生的初始位置。新版本中使用SMART（分離、變形、自適應和重劃分網格技術）分析裂紋擴展時增加了最大主應力準則去評估裂紋萌生的時間和位置。當滿足該準則時，裂紋自動以橢圓的形狀（目前只支持橢圓裂紋）和適當的尺寸插入到定義的裂紋區域，然后程序進行下一步的裂紋擴展計算。
以一個簡單的demo來描述SMART自適應裂紋萌生分析的計算步驟:
1、創建分析模型
如圖示緊湊拉伸試樣，一端固定，上下圓孔給定100N拉力，預測產生I形裂紋，最大主應力位置在開口前沿。
圖1 計算模型
2、建立裂紋產生區域節點組件
圖示模型中選擇最大主應力前沿一排節點作為裂紋產生區域的節點組件，并命名為CrkInitZone。
圖2 裂紋產生區域節點組件
3、對模型進行初步分析，最大主應力為61.5MPA，設定產生裂紋的臨界主應力為60MPA
圖3 沒有裂紋時分析，最大主應力云圖
4、在分析中插入如下命令流，定義裂紋產生準則和裂紋擴展計算選項
!! 定義最大主應力作為裂紋萌生準則，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是臨界最大主應力值;CR KI,自適應裂紋萌生準則;MAT_ID材料編號（此處去掉“R”和“K”間的空格）
!!
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。
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1.引言：
iSolver為一個完全自主的面向工程應用的通用結構有限元軟件，對標Nastran、Ansys、Abaqus設計和實現，具備結構有限元常用分析類型和單元、材料、載荷等基礎算法組件，精度和Abaqus一致。本文以兩種國標規定拉伸試樣的非線性瞬態分析為例，演示iSolver的分析流程，并將iSolver和Abaqus計算結果進行對比。
2.模型背景：
此案例為冶金工業部標準規定的三點彎曲試樣的非線性瞬態分析
img.jishulink.com/msimage/202502/106f52746daec0c281b516303f83a7d0.png" style="" width="459"></p><p><br></p><p>第四步：將預制裂紋Cohesive、上下板、圓盤賦予材料屬性；</p><p>第五步：將各部件進行裝配，設置分析步、接觸屬性和邊界條件等參數進行運算；</p><p>第六步：查看仿真結果，分析裂紋擴展方式和過程
改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進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展路徑的數值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對疲勞裂紋擴展和疲勞壽命的影響。
本教程包括 ARCAN 樣本的逐步靜態裂紋擴展分析。
步驟 1：概述
在復雜的飛機結構中，裂紋擴展很少以耐久性和損傷容限分析 (DADTA) 中假設的理想方式擴展。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展。這種情況稱為混合型裂紋擴展，或更籠統地說，三維 (3D) 裂紋擴展。
西峽縣眾德汽車部件有限公司何磊先生，以《FLOW-3D CAST 在蝸殼充型過程中的應用》為題作報告
上海交通大學孫啟才博士，以《基于FLOW-3D CAST的預結晶充型模擬預測及實驗驗證》為題作報告
中設集團裝備制造有限責任公司安朝陽先生，以《一個基于FLOW-3D CAST模擬的鑄鋼件裂紋分析案例
</p><p>(3)<strong style="color: rgb(255, 0, 0);">初始損傷公差(Damage Initiation Tolerance):</strong>應用 ABAQUS 有限元軟件進行裂紋擴展分析時，初始損傷公差也是會導致程序不收斂的原因之一，比如，在程序計算過程中某一個增長步里富集單元的應力計算值不小于自定義設置的臨界應力值時，ABAQUS有限元軟件會自動的減小時間步長
XFEM 的應用場景
裂紋擴展分析：可以模擬裂紋在結構中的任意路徑擴展，預測結構的剩余壽命。
復合材料分析：可以模擬復合材料中的分層和脫粘等損傷現象。
生物力學分析：可以模擬骨骼和軟組織中的裂紋擴展和損傷愈合等過程。
這種方法涉及準確評估應力強度因子（SIFs）、裂紋擴展路徑，并通過增量裂紋擴展分析進行疲勞壽命評估。疲勞裂紋擴展結果表明，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展，要么只能在孔洞丟失后從孔洞處漂浮并進一步擴展。在混合模式載荷條件下的裂紋擴展軌跡方面，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗結果相似，這些實驗觀察到了類似的結果。
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、石油和天然氣工業、航空航天和其它工業都非常關鍵，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。
f是塑性應變的無量綱函數
宏觀流動應力與剪切應力之間通過taylor因子鏈接:
對于FCC而言，Ｍ一般取值為3.06
因此流動應力與位錯密度的關系表示為：
其中ｌ是材料內稟常數（微米量級）
有效塑性應變梯度計算為：
作者通過umat實現該本構理論，并使用了CPE8R單元用于計算應變梯度，分析了裂紋尖端應力場在小應變和有限應變下的應力場情況
