abaqus管道裂紋的案例
【EDF開(kāi)源CAE】應(yīng)用擴(kuò)展有限元方法（XFEM）在Code_Aster中進(jìn)行金屬管道內(nèi)表面的裂紋分析
案例介紹
斷裂是材料構(gòu)件破壞的重要形式之一，宏觀的裂紋起源于材料中的微觀缺陷。當(dāng)宏觀的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展貫穿整個(gè)構(gòu)件時(shí)，材料就發(fā)生了斷裂。因此裂紋的擴(kuò)展是斷裂力學(xué)研究的重點(diǎn)之一。
傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)在進(jìn)行裂紋的模擬時(shí)，必須生成含裂紋的網(wǎng)格。當(dāng)要進(jìn)行大批量的裂紋處理或者進(jìn)行改變裂紋位置、大小、形狀的批量計(jì)算時(shí)，每次都要重復(fù)制作相應(yīng)的網(wǎng)格，這增加了模擬的時(shí)間成本。
構(gòu)件中裂紋的表示圖
擴(kuò)展有限元（eXtended Finite Element Method, XFEM）是在21世紀(jì)初期提出的一種求解不連續(xù)力學(xué)的問(wèn)題一種數(shù)值方法。
它通過(guò)選取不連續(xù)的形函數(shù)作基元函數(shù)來(lái)表征計(jì)算域中的不連續(xù)性，所使用的網(wǎng)格不需要考慮裂紋的存在，而是網(wǎng)格生成后再添加裂紋的屬性，研究不同屬性的裂紋也就不需要生成新的網(wǎng)格，這大大提高了研究不同裂紋的效率。
本案例使用Code_Aster的擴(kuò)展有限元方法研究一個(gè)金屬管道內(nèi)表面的一個(gè)裂紋，以Heviside函數(shù)來(lái)表示界面的不連續(xù)位移場(chǎng)，簡(jiǎn)化了網(wǎng)格生成，也消除了傳統(tǒng)有限元方法中隊(duì)裂紋定義的約束。
模擬過(guò)程
使用Code_Aster的整體計(jì)算步驟如下圖：
XFEM方法裂紋分析主要步驟
本算例的幾何模型采用的是一個(gè)內(nèi)徑為384mm外徑為628mm的圓筒。在該金屬圓筒的內(nèi)表面，存在一個(gè)半橢圓形的平面裂紋，長(zhǎng)軸方向沿金屬管道軸向，整個(gè)管道在一定的內(nèi)部的壓力作用下變形。
展開(kāi) ABAQUS直裂紋、斜裂紋圍道積分計(jì)算裂紋尖端J積分
之前算過(guò)一個(gè)關(guān)于裂紋擴(kuò)展的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)創(chuàng)建裂紋選擇的是contour intergral，后來(lái)又有人咨詢我裂紋尖端J積分的計(jì)算問(wèn)題。我才恍然大悟，其實(shí)圍道積分方法還是適用于計(jì)算裂紋尖端在某時(shí)刻的J積分，至于動(dòng)態(tài)擴(kuò)展問(wèn)題，還是交給XFEM吧（雖然也不太好）。
計(jì)算了幾種情況下的裂紋尖端J積分，包括直裂紋、斜裂紋以及裂紋尖端傾斜等三種情況。
部分試件的應(yīng)力分布及J積分結(jié)果如圖所示：
ABAQUS裂紋尖端應(yīng)變、裂紋擴(kuò)展模擬及問(wèn)題
前幾天有人問(wèn)我ABAQUS做焊點(diǎn)分析，我一看他給我的一片文獻(xiàn)，其實(shí)是用ABAQUS做裂紋擴(kuò)展分析。之前也沒(méi)接觸過(guò)裂紋分析，于是照貓畫(huà)虎做了個(gè)算例，但是裂紋沒(méi)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(gè)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(guò)crack來(lái)設(shè)定的，類(lèi)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(gè)孔，一個(gè)固支、一個(gè)勻速拉。預(yù)期當(dāng)裂紋尖端的單元變形達(dá)到某一個(gè)值時(shí)將刪除單元。
您看見(jiàn)了就給個(gè)意見(jiàn)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(shí)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(gè)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(shí)就會(huì)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(méi)有發(fā)生失效。
Mises應(yīng)力場(chǎng)：
x方向正應(yīng)力場(chǎng)
x方向真實(shí)應(yīng)變場(chǎng)
x方向塑性應(yīng)變場(chǎng)
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(lái)了就完美了，可惜裂紋沒(méi)出來(lái)。
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Abaqus XFEM疲勞裂紋擴(kuò)展(基于Paris公式)教程 ￥39.9
Abaqus XFEM疲勞裂紋擴(kuò)展(基于Paris公式)教程
本文將詳細(xì)介紹在abaqus軟件中，利用擴(kuò)展有限元（XFEM）實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展，用的是二維CT模型，三維模型同理。
主要包括一下幾方面：1.模型的建立（包括材料賦予，預(yù)制裂紋，分析步設(shè)置，邊界條件設(shè)置）2.關(guān)鍵詞設(shè)置（裂紋擴(kuò)展的Paris公式在abaqus中的換算）3.收斂問(wèn)題。
1. 模型的建立
根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6398-2017，金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法所規(guī)定的CT模型建模方法：
在abaqus中建模并且在中間畫(huà)好過(guò)渡線，可得：
再建一個(gè)預(yù)制裂紋（裂紋長(zhǎng)度為1mm，你可以根據(jù)自己需要選擇長(zhǎng)度）的模型：
材料賦予正常進(jìn)行，賦予彈性和塑性就行，預(yù)制裂紋不需要賦予材料屬性（例子為了方便，只賦予彈性部分）
裝備部分，選擇CT模型及預(yù)制裂紋兩個(gè)part，再將預(yù)制裂紋移動(dòng)至裂紋尖端:
Step設(shè)置：
本文用的是direct cycle分析步
展開(kāi) abaqus凍土-管道模擬：實(shí)體，孔壓，溫度三耦合分析..
案例來(lái)自幫助文檔，由于幫助文檔是inp格式，給新手帶來(lái)很大困難，故錄制視頻，用cae方式自己理解的基礎(chǔ)上做了一下，若有不足，敬請(qǐng)諒解
ABAQUS二維裂紋擴(kuò)展模擬詳解
需要注意的是，在ABAQUS中當(dāng)采用圍線積分（contour integral）來(lái)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)，在圍線積分的區(qū)域只能為四邊形或六面體單元，雖然裂紋尖端的網(wǎng)格為三角形單元，但其實(shí)際上是退化的四邊形單元（degenerated quad），后面將會(huì)介紹如何劃分裂尖網(wǎng)格。
為了在ABAQUS中定義裂紋，首先需要指定裂紋面（crack front）以及裂紋尖端（crack tip），對(duì)于通過(guò)ABAQUS創(chuàng)建的二維部件實(shí)例，裂紋前沿可以指定為幾何點(diǎn)，幾何邊線以及幾何面，裂紋尖端可以指定為幾何點(diǎn)，而對(duì)于外部導(dǎo)入的二維網(wǎng)格（orphan mesh），裂紋前沿可以指定為節(jié)點(diǎn)，單元邊和單元面，裂紋尖端尖端可以指定為節(jié)點(diǎn)。除此之外還需要指定裂紋面的法向矢量方向或者裂紋擴(kuò)展的方向，在ABAQUS中裂紋擴(kuò)展的方向也被稱為q向量，該向量將用于圍線積分的計(jì)算。裂紋的定義如圖3所示。
圖3 ABAQUS裂紋定義界面
為了在裂尖單元中引入奇異性，需要對(duì)單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊的處理。如圖4所示，對(duì)于8節(jié)點(diǎn)的四邊形單元（二階單元，具有中間節(jié)點(diǎn)），首先ABAQUS會(huì)將四邊形單元的其中一條邊壓縮，假設(shè)該單元邊由節(jié)點(diǎn)a, b和c構(gòu)成，壓縮之后節(jié)點(diǎn)a, b和c將合并共同構(gòu)成裂紋尖端，隨后與裂紋尖端相連的兩條單元邊上的中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)被移動(dòng)到距離裂紋尖端1/4處的位置。
展開(kāi) 基于abaqus/CFD&Standard管道流固耦合變形分析
鑒于abaqus/CFD&Standard/Explicit流固耦合分析的例子少之甚少，我所看到的手冊(cè)中唯一一個(gè)有關(guān)abaqus流固耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析的
例子是基于abaqus+fluent+mpcci聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，故曾經(jīng)懷疑基于abaqus/cfd&standard/explicit流固耦合涉及結(jié)構(gòu)變形分析目前是否能夠?qū)?現(xiàn)，最近偶爾做了個(gè)基于abaqus/cfd&standard管道流固耦合變形的例子，發(fā)現(xiàn)其實(shí)是可以做的，拿出來(lái)與大家分享一下，當(dāng)然，還有一
些細(xì)節(jié)問(wèn)題有待進(jìn)一步探索，希望有對(duì)此感興趣的同仁一起研究探討，比如結(jié)構(gòu)采用殼單元后，收斂性會(huì)相當(dāng)差，這在基于其它軟件的流固
耦合分析中其實(shí)很少出現(xiàn)問(wèn)題，還有比如流場(chǎng)會(huì)受ALE的影響出現(xiàn)整體網(wǎng)格抖動(dòng)（這個(gè)問(wèn)題是我在做另一個(gè)FSI涉及結(jié)構(gòu)變形的算例中出現(xiàn)的
怪異現(xiàn)象）。
模型采用abaqus/cfd模塊與abaqus/standard模塊進(jìn)行co-simulation，模型見(jiàn)下圖：
相關(guān)計(jì)算結(jié)果：
放大后的結(jié)構(gòu)變形：
結(jié)構(gòu)壓力分布：
流體瞬時(shí)速度矢量分布：
Co-execution-guan_solid_fluid_2-guan_solid.rar
Co-execution-guan_solid_fluid_2-guan_fluid.rar
展開(kāi) 基于ABAQUS二次開(kāi)發(fā)的復(fù)材管道埋管參數(shù)化仿真
受泥土重力、內(nèi)壓時(shí)，復(fù)材管道第1到7層S22方向上的應(yīng)力分布云圖。
同時(shí)，也可在后處理中查看受到車(chē)輛載荷后管道應(yīng)力分布的變化。
3）算例動(dòng)畫(huà)展示
下圖所示為開(kāi)挖及填埋模型位移動(dòng)畫(huà)及填埋后受車(chē)輛壓強(qiáng)時(shí)位移動(dòng)畫(huà)。
5、結(jié)論
根據(jù)ABAQUS二次開(kāi)發(fā)的復(fù)材管道埋管參數(shù)化仿真，可得出如下結(jié)論：
1）依據(jù)此插件可快速建立復(fù)材埋管參數(shù)化模型，有效提高建模、計(jì)算效率；
2）依據(jù)此插件可研究管道尺寸、埋地深度、材料參數(shù)等與受載之間的關(guān)系；
3）在此插件的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步二次開(kāi)發(fā)，研究振動(dòng)、爆炸沖擊等載荷對(duì)管道的影響；
4）可在此基礎(chǔ)上對(duì)埋地管道進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)。
展開(kāi) Abaqus管道流場(chǎng)仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
Abaqus管道流場(chǎng)仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
