涂層ansys斷裂分析
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-03-07
涂層ansys斷裂分析的視頻教程
涂層ansys斷裂分析的實(shí)例教程
ANSYS
ANSYS 是一種多用途有限元計(jì)算機(jī)工具，用于解決結(jié)構(gòu)和熱傳輸工程分析[20]。靜態(tài)分析、彈性、塑性、熱、應(yīng)力、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形、雙線性單元、動(dòng)態(tài)分析、建模、諧波響應(yīng)、線性時(shí)程、非線性時(shí)程、傳熱分析（傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射）、耦合流體流、耦合電流、結(jié)構(gòu)、磁學(xué)都是 ANSYS 解決問(wèn)題的能力[21]、[22]。連續(xù)體具有無(wú)限個(gè)自由度，有限元分析中的元素?cái)?shù)量減少了該數(shù)量[23]。這些元素被認(rèn)為僅在其節(jié)點(diǎn)處連接。使用的元素越多，解決方案的準(zhǔn)確性就會(huì)越高。使用的元素?cái)?shù)量越多，結(jié)果就越準(zhǔn)確[24]。
Methodology
4 Methodology 方法
以下是完成分析的過(guò)程。
? 導(dǎo)入到 ANSYS 工作臺(tái)
? 生成網(wǎng)格
? 應(yīng)用材料屬性
? 應(yīng)用支撐
? 施加負(fù)載
? 分析變形和應(yīng)力
? 繪制圖表
4.1 . 導(dǎo)入模型
只需轉(zhuǎn)到文件菜單，選擇導(dǎo)入文件，然后單擊生成圖標(biāo)即可將 PRO-E.IGES 文件導(dǎo)入 ANSYS 軟件。之后，在ANSYS中生成PRO-E文件。然后選擇單位和材料屬性并應(yīng)用網(wǎng)格、載荷和支撐。
4.2 . 應(yīng)用材料屬性
下一個(gè)問(wèn)題是將材料屬性應(yīng)用于樣本。ANSYS 11 是一個(gè)包含各種材料的大型數(shù)據(jù)庫(kù)。表1顯示了與分析相關(guān)的各種屬性詳細(xì)信息。
表 1 .
展開 而對(duì)于ansy軟件的使用，需要使用者對(duì)理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)都有很深刻的認(rèn)識(shí)，需要你不斷地在實(shí)踐中運(yùn)用于學(xué)習(xí)。
本案例講述的是在316L不銹鋼表面沉積Fe-Al功能涂層后，利用ansys仿真在Fe-Al涂層沉積完畢冷卻后在基體和圖層內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
在這個(gè)案例里面，你將掌握軸對(duì)稱單元的應(yīng)用、熱結(jié)構(gòu)耦合方式的求解、瞬態(tài)分析的步長(zhǎng)等基礎(chǔ)知識(shí)。
基體和圖層內(nèi)部的殘余應(yīng)力是由于溫度冷卻的不一致而引起的。屬于熱—結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)問(wèn)題。在ansys里面，求解耦合場(chǎng)問(wèn)題，有兩種方式，一種是直接耦合，熱與結(jié)構(gòu)耦合方程同時(shí)求解，要用到熱—結(jié)構(gòu)耦合單元。另一種是間接求解方式，求解分兩步走，第一步求解溫度場(chǎng)，第二步在求解溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上根據(jù)熱膨脹系數(shù)求解應(yīng)力場(chǎng)，分別用到熱單元和結(jié)構(gòu)單元。本案例中采用間接求解的方式。
為了使求解問(wèn)題簡(jiǎn)單化，同時(shí)不偏離實(shí)際過(guò)程。考慮到降溫過(guò)程材料的非線性變化，對(duì)模型我們要做以下假設(shè)：（1）涂層在制備時(shí)溫度處于應(yīng)力自由狀態(tài)（2）涂層在制備過(guò)程中不產(chǎn)生塑性變形或蠕變（3）不考慮材料相變引起的熱問(wèn)題（4）假設(shè)涂層與基體、涂層與涂層之間不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。
模型為圓柱形，不銹鋼基體尺寸為φ25×0.8mm，涂層的厚度為2μm，涂層從下往上依次為Fe3Al、FeAl、Fe2Al5、FeAl3。采用軸對(duì)稱方式進(jìn)行模型的建立，熱單元選用平面四節(jié)點(diǎn)單元plane55，網(wǎng)格的劃分采用映射網(wǎng)格劃分方式。在求解溫度場(chǎng)的分布之后，利用ETCHG,TTS命令轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)求解，同時(shí)利用LDREAD,TEMP,,,t,
,'l','rth',' '讀入熱分析的計(jì)算結(jié)果，作為應(yīng)力求解的載荷條件，熱應(yīng)力的求解參考溫度為680℃。
以下是求解的分析結(jié)果。
展開 /POST1
*GET,K,CINT,1,CTIP,1,,5,,K1
*STATUS,K
兩個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算結(jié)果基本一致，將斷裂韌性除以K，就可以得出安全系數(shù)，判斷裂紋是否擴(kuò)展。
例三：（交互積分法求應(yīng)力強(qiáng)度因子）
（整理自ANSYS的HELP）
例子位置索引:
有限元模型：
FINISH$/CLEAR
!
9) 材料構(gòu)型力:材料力主要用于分析材料的缺陷，如位錯(cuò)，空隙，界面和裂紋等。材料力也成為構(gòu)型力，可以考慮夾雜物中的彈性固體（基體材料）。
對(duì)于線性或非線性彈性材料中，材料力矢量與裂紋面相切的分量代表了裂紋尖端的能量釋放率。此外，裂紋擴(kuò)展方向，非均勻性，缺陷和失配網(wǎng)格也可以使用材料力進(jìn)行表征。在彈塑性力學(xué)問(wèn)題中，材料力矢量與裂紋面相切（平行）分量代表了裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力（J積分）。材料力的計(jì)算不考慮作用在裂紋表面的載荷。
10) C*積分:對(duì)于高溫蠕變裂紋擴(kuò)展的研究，目前廣泛采用的控制參量之一是穩(wěn)態(tài)蠕變C*積分。
正如各向同性彈性材料中的J積分一樣，C*積分表征了各向同性材料經(jīng)歷蠕變變形第二階段的裂紋特征。C*積分的表達(dá)式如下：
在彈塑性階段，用以描述裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的主要是，積分，因此，積分也就成為了彈塑性斷裂的基本準(zhǔn)則。但材料蠕變條件下，J積分不再適用，此時(shí)能有效地反映裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的是蠕變斷裂參量C*。
來(lái)源：本文來(lái)自CAE技術(shù)聯(lián)盟公眾號(hào)，版權(quán)歸作者所有。
展開 分別定義裂紋生成計(jì)算編號(hào)，斷裂參數(shù)，計(jì)算積分圍線，裂紋萌生的ADPCI編號(hào)，裂紋表面組件名稱。裂紋表面組件名稱（crksurf1和crksurf1）自定義，在裂紋萌生和局部網(wǎng)格發(fā)生變化時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)填充節(jié)點(diǎn)列表。如果不明確給出裂紋表面的節(jié)點(diǎn)組件名稱，程序會(huì)自動(dòng)生成兩個(gè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)組件。
CINT,NEW,11
CINT,TYPE,SIFS
CINT,NCON,4
CINT,INIT,1
CINT,SURF,CRKSURF1,CRKSURF2
!! 分別定義裂紋擴(kuò)展分析編號(hào)，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展裂紋編號(hào)，以及使用smart分析方法進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析
CGROW,NEW,31
CGROW,CID,11
CGROW,METHO,SMART,REME
!! 該命令為非必須插入項(xiàng)，由于使用smart分析方法會(huì)自動(dòng)在裂紋處加密網(wǎng)格，為減小計(jì)算量，設(shè)置裂紋擴(kuò)展網(wǎng)格粗化選項(xiàng)，可能會(huì)影響計(jì)算精度
CGROW,RMCONT,coarse,aggr
!! 其中CONS – 使用保守的網(wǎng)格粗化 (default)
MODE – 適中網(wǎng)格粗化.
AGGR – 激進(jìn)的網(wǎng)格粗化策略
5、設(shè)定載荷分析子步，建議設(shè)定較多的初始載荷子步和最小載荷子步捕捉裂紋擴(kuò)展過(guò)程，本例設(shè)定了40個(gè)載荷步。
6、提交計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中，在求解信息中會(huì)出現(xiàn)如圖中是否達(dá)到裂紋插入準(zhǔn)則信息提示。達(dá)到準(zhǔn)則之后程序會(huì)自動(dòng)插入橢圓形裂紋和計(jì)算插入的橢圓形裂紋坐標(biāo)位置和長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度，以及輸出使用smart方法計(jì)算時(shí)重劃分網(wǎng)格的數(shù)目信息。
圖4求解過(guò)程信息提示
程序在確認(rèn)橢圓形裂紋坐標(biāo)位置時(shí)，會(huì)在每個(gè)子步標(biāo)記所有滿足裂紋萌生條件的節(jié)點(diǎn)，并將它們分組到節(jié)點(diǎn)云中。節(jié)點(diǎn)云的幾何中心是橢圓的中心。
展開 
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機(jī)械動(dòng)力傳輸系統(tǒng)最關(guān)鍵的機(jī)械部件之一是齒輪。為了傳遞扭矩，帶有切齒的紡紗機(jī)部件與另一個(gè)齒部件嚙合。由于其高度的多功能性，齒輪被用于各種各樣的應(yīng)用，從小型手表到大型重型設(shè)備，如汽車和航空航天工業(yè)以及船用發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的設(shè)備。因此，接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力是影響齒輪故障的兩個(gè)關(guān)鍵因素
裂紋擴(kuò)展是指材料在外界因素作用下裂紋萌生、生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)于不考慮奇異性的裂紋擴(kuò)展分析，需要定義準(zhǔn)則來(lái)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(yīng)和重劃分網(wǎng)格技術(shù)）分析裂紋擴(kuò)展時(shí)增加了最大主應(yīng)力準(zhǔn)則去評(píng)估裂紋萌生的時(shí)間和位置。當(dāng)滿足該準(zhǔn)則時(shí)，裂紋自動(dòng)以橢圓的形狀（目前只支持橢圓裂紋）和適當(dāng)?shù)某叽绮迦氲蕉x的裂紋區(qū)域，然后程序進(jìn)行下一步的裂紋擴(kuò)展計(jì)算。
以一個(gè)簡(jiǎn)單的
01 本文暫只涉及2-D斷裂模型，所用單元為PLANE183。
02 裂紋用線表示，裂紋尖端的應(yīng)力梯度很大，此處的單元不僅僅要細(xì)化，而且要使用奇異單元
例一（位移外插法求應(yīng)力強(qiáng)度因子）
問(wèn)題描述:平面應(yīng)變板中間有一個(gè)橢圓孔，且孔的長(zhǎng)軸方向存在裂紋，如圖:
有限元模型：
FINISH$/CLEAR
!units mm-kg-N
/PREP7
1、線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，材料和構(gòu)件在斷裂以前基本上處于彈性范圍內(nèi)，可以把物體視為帶有裂紋的彈性體。研究裂紋擴(kuò)展有兩種觀點(diǎn)：
一種是能量平衡的觀點(diǎn)，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是構(gòu)件在裂紋擴(kuò)展中所釋放出的彈性應(yīng)變能，它補(bǔ)償了產(chǎn)生新裂紋表面所消耗的能量，如Griffith理論；
一種是應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的觀點(diǎn)，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展的臨界狀態(tài)是裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到材料的臨界值，如Irwin理論。
2、
小編認(rèn)為學(xué)習(xí)知識(shí)最好的方式就是去運(yùn)用知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題，當(dāng)你學(xué)會(huì)運(yùn)用這個(gè)知識(shí)來(lái)成功地解決問(wèn)題的時(shí)候，你才能掌握這個(gè)知識(shí)。正所謂“紙上得來(lái)終覺淺，覺知此事要知行”。而對(duì)于ansy軟件的使用，需要使用者對(duì)理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)都有很深刻的認(rèn)識(shí)，需要你不斷地在實(shí)踐中運(yùn)用于學(xué)習(xí)。
本案例講述的是在316L不銹鋼表面沉積Fe-Al功能涂層后，利用ansys仿真在Fe-Al涂層沉積完畢冷卻后在基體和圖層內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力
