abaqus巖石裂紋
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時間：2023-02-27
abaqus巖石裂紋的視頻教程
LS-DYNA的三維巖石爆破裂紋擴展模擬
視頻包括巖石三維爆破模擬的建模及后處理過程，建模步驟講解詳細(xì)（ANSYS軟件），并介紹了體積分?jǐn)?shù)法在爆破模擬中的應(yīng)用（可大大簡化建模過程）。第一個視頻為模擬結(jié)果展示。第二個和第三個視頻均講解了建模過程，第二個視頻錄制較早，第三個視頻對于一些細(xì)微的地方說明的更加詳細(xì)，可對照著一起看。 K文件可在附件直接下載。對于視頻內(nèi)有疑問的地方可在評論區(qū)互相交流學(xué)習(xí)，若視頻對學(xué)習(xí)有幫助的話期待得到5星好評。
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（課程）ANSYS/LS-DYNA含節(jié)理巖石SHPB循環(huán)沖擊裂紋擴展模擬
1.巖石試件中考慮了預(yù)制空節(jié)理，可觀察入射應(yīng)力波在試件中的傳播規(guī)律 2.重啟動方法完成多次循環(huán)沖擊壓縮模擬 3.解決了反射透射應(yīng)力在桿中反復(fù)傳播并對第二次沖擊曲線造成影響的問題 4.模擬出不同沖擊次數(shù)下沖擊壓縮損傷裂紋擴展規(guī)律 5.講解了模型材料參數(shù)標(biāo)定的思路 （包含子彈加載、入射應(yīng)力曲線加載兩種方式）
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（SCI）LS-DYNA的巖石單孔及雙孔爆破裂紋擴展模擬
視頻包括巖石單孔及雙孔爆破的建模及后處理過程，是本人發(fā)表在SCI期刊《Computers and Geotechnics》文章中的部分?jǐn)?shù)值模擬內(nèi)容，詳情可見主頁成果展示。 建模步驟講解詳細(xì)（ANSYS軟件），并介紹了體積分?jǐn)?shù)法在爆破模擬中的應(yīng)用（可大大簡化建模過程）。K文件在附件可直接下載。對于視頻內(nèi)有疑問的地方可在評論區(qū)互相交流學(xué)習(xí)，若視頻對學(xué)習(xí)有幫助的話期待得到5星好評。
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abaqus巖石裂紋的實例教程
3）單元：空氣、炸藥單元采用euler算法，巖石及節(jié)理采用lagrange算法，其中流體采用1e6沙漏系數(shù)，對應(yīng)關(guān)鍵字如下：
4）材料：空氣、乳化炸藥、節(jié)理及巖石*MAT_NULL、*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN、*MAT_PLASTIC_KINEMATIC及*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE本構(gòu)。詳細(xì)材料本構(gòu)及狀態(tài)方程關(guān)鍵字參數(shù)如下：
5）流固耦合：流體（空氣與炸藥）與固體（巖石及節(jié)理）之間采用流固耦合定義相互作用關(guān)系。流體定義多物質(zhì)組，流固耦合關(guān)鍵字如下（其中part1為巖石，part2為節(jié)理，part3為空氣，part4為炸藥）：
6）求解時間600us。
03、求解過程及結(jié)果分析
采用6核cpu和2G內(nèi)存進行求解，需要7小時左右。
下圖顯示了巖石在乳化炸藥爆炸作用下的裂紋擴展過程。
結(jié)果顯示，在3500m/s爆速的乳化炸藥作用下，巖石裂紋擴展較好，可以較準(zhǔn)確的模擬實際情況，對工程爆破具有極大的參考意義。
04、總結(jié)
本文建立了含節(jié)理的巖石爆炸模型，仿真分析了3500m/s乳化炸藥在不偶和裝藥爆炸作用下含節(jié)理的巖石的裂紋擴展效果，獲得了巖石的裂紋分布情況。由于計算量較大，沒有分析無節(jié)理情況下裂紋擴展情況進行對比。
來源于：ANSYS
展開 下圖顯示了巖石在乳化炸藥爆炸作用下的裂紋擴展過程。
結(jié)果顯示，在3500m/s爆速的乳化炸藥作用下，巖石裂紋擴展較好，可以較準(zhǔn)確的模擬實際情況，對工程爆破具有極大的參考意義。
04
總結(jié)
本文建立了含節(jié)理的巖石爆炸模型，仿真分析了3500m/s乳化炸藥在不偶和裝藥爆炸作用下含節(jié)理的巖石的裂紋擴展效果，獲得了巖石的裂紋分布情況。由于計算量較大，沒有分析無節(jié)理情況下裂紋擴展情況進行對比。
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配圖1-6：裂紋發(fā)展圖
可以看到裂紋不像傳統(tǒng)單軸是從兩端生成裂紋，而是在裂縫附近先生成裂紋。以一個X的方向向四周擴展。
配圖7-11：塊體圖
這里可以看到宏觀裂紋的擴展情況，宏觀上裂紋在裂縫的兩端向受壓端延伸。
形成貫穿的裂縫后，受壓端較窄的那部分又發(fā)展新的宏觀裂紋，這個和微觀裂紋圖是一致的。
配圖12： 應(yīng)力應(yīng)變曲線
這里可以看到在應(yīng)力下降后有一個階梯，懷疑是兩端窄的部分產(chǎn)生裂縫后形成之后劇烈的衰減，沒有比對過，需要再驗證一下。
配圖13： 裂紋演變曲線
這里的巖體為高摩擦角的性質(zhì)，以剪壞為主，拉壞只有很少的一部分。
這里的代碼是在單軸的基礎(chǔ)上修改的，唯一修改的部分就是一開始說明的，這里就不貼上代碼了。
后面會寫直剪、單剪、滾刀、邊坡等，有時間就做一做，比較慢。
展開 # 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(shù)值模擬中，采用**插入Cohesive單元法生成多裂紋**是精準(zhǔn)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(shù)手段，其必要性可從力學(xué)機理表征、數(shù)值計算精度、工程適用性三個維度展開分析。
從力學(xué)機理層面看，巖石切削本質(zhì)是刀具與巖石接觸區(qū)的應(yīng)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(nèi)聚力模型（Cohesive Zone Model, CZM）**，可通過定義牽引-分離準(zhǔn)則，精準(zhǔn)描述巖石材料的斷裂過程：單元內(nèi)部應(yīng)力達到粘結(jié)強度前，表現(xiàn)為彈性變形；應(yīng)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(yīng)力準(zhǔn)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(fù)雜擴展模式，而直接通過網(wǎng)格劃分預(yù)設(shè)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(shù)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(yīng)力集中區(qū)，同時在切削面下方產(chǎn)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(yù)先嵌入巖石基體網(wǎng)格的薄弱面（如顆粒邊界、層理面）或全域分布，當(dāng)局部應(yīng)力滿足斷裂準(zhǔn)則時，單元自動失效形成裂紋，無需人為預(yù)設(shè)裂紋路徑，有效避免了預(yù)設(shè)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(wǎng)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(guān)鍵參數(shù)的計算精度。
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# 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(shù)值模擬中，采用**插入Cohesive單元法生成多裂紋**是精準(zhǔn)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(shù)手段，其必要性可從力學(xué)機理表征、數(shù)值計算精度、工程適用性三個維度展開分析。
從力學(xué)機理層面看，巖石切削本質(zhì)是刀具與巖石接觸區(qū)的應(yīng)力集中引發(fā)的脆性斷裂過程，伴隨多條微裂紋的萌生
附件為基于ABAQUS的【2D】及【3D】巖石混凝土的SHPB壓縮仿真模型，混凝土使用CDP（ Concrete Damaged Plasticity）混凝土損傷塑性模型本構(gòu)。
附件：SHPB2D-3D.cae，Job-2D-CDP.inp，Job-3D-CDP.inp，Result.opju
在交流群中，有人多次問到這個問題，所以直接把方法貼在了下面，希望大家可以輕松解決
Abaqus 給出的錯誤提示：
The following XFEM cracks are failing to correctly generate. The error conditions are listed with the crack names:
Crack-1 - Crack domain
abaqus擁有強大的顯示動力學(xué)求解能力，應(yīng)用abaqus的Explicit做了個牙輪鉆頭切削巖石的案例，總結(jié)以下幾個遇到的問題：
1.不開多線程可以正常求解，一開多線程就報錯？
在顯示動力學(xué)接觸設(shè)置中，abaqus軟件默認(rèn)的是動態(tài)接觸算法（Kinematic contact algorithm）,當(dāng)開啟多線程時就會由于求解速度過高而產(chǎn)生計算的不穩(wěn)定性，而該算法的接觸約束嚴(yán)格性很高，因此當(dāng)遇到求解不穩(wěn)定時就會產(chǎn)生報錯從而導(dǎo)致計算終止
滾子軸承在轉(zhuǎn)動過程中會在滾動體與保持架之間產(chǎn)生較大的沖擊載荷，導(dǎo)致應(yīng)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(jié)果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結(jié)果為滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有益指導(dǎo)。
滾子軸承在轉(zhuǎn)動過程中會在滾動體與保持架之間產(chǎn)生較大的沖擊載荷，導(dǎo)致應(yīng)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(jié)果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結(jié)果為滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有益指導(dǎo)。
沿晶斷裂是指金屬材料中的裂紋沿晶界擴展而產(chǎn)生的一種斷裂。當(dāng)沿晶斷裂斷口形貌呈粒狀時又稱晶間顆粒斷裂。多數(shù)情況下沿晶斷裂屬于脆性斷裂，但也可能出現(xiàn)韌性斷裂，如高溫蠕變斷裂。當(dāng)金屬或合金沿晶界析出連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀脆性相時，在外力的作用下，這些網(wǎng)狀脆性相將直接承受載荷，很易于破碎形成裂紋并使裂紋沿晶界擴展，造成試樣沿晶界斷裂，它是完全脆性的正斷。
在ABAQUS中可以利用Cohesive
1. ABAQUS裂紋體的建立
在ABAQUS中，根據(jù)裂紋尖端的形狀可以建立兩種類型的裂紋體：尖銳（Sharp）型裂紋和鈍形（Blunt）裂紋，如圖1所示。對于尖銳型裂紋，裂紋尖端存在奇異性；而鈍形裂紋尖端可以看做是一個具有給定缺口半徑的缺口，因此裂紋尖端不存在奇異性，可以按照常規(guī)有限元的建模方式來建立。在ABAQUS中，兩種類型的裂紋均可以進行應(yīng)力強度因子分析。
圖1 尖銳型裂紋和鈍形裂紋
基于ABAQUS有限元軟件平臺，應(yīng)用它的腳本接口二次開發(fā)出一套可以用于自動計算疲勞裂紋擴展的程序包。該程序包可以實現(xiàn)參數(shù)化有限元建模、訪問輸出數(shù)據(jù)庫及進行其他后處理，從而避免重復(fù)建模及分析結(jié)果，顯著提高分析效率。
一.疲勞裂紋擴展程序工作流程
二.結(jié)果輸出
創(chuàng)建模型
采用帶有單邊裂紋的整體加筋壁板作為算例。
2.后處理結(jié)果
Abaqus：使用XFEM進行裂紋擴展仿真案例講解
