涂層ansys斷裂分析的案例
文獻(xiàn)分享 | 使用 ANSYS Workbench 對涂有木質(zhì)涂層的直齒輪進(jìn)行接觸應(yīng)力分析
ANSYS
ANSYS 是一種多用途有限元計算機(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、動態(tài)分析、建模、諧波響應(yīng)、線性時程、非線性時程、傳熱分析（傳導(dǎo)、對流、輻射）、耦合流體流、耦合電流、結(jié)構(gòu)、磁學(xué)都是 ANSYS 解決問題的能力[21]、[22]。連續(xù)體具有無限個自由度，有限元分析中的元素數(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)確性就會越高。使用的元素數(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程。
? 導(dǎo)入到 ANSYS 工作臺
? 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
下一個問題是將材料屬性應(yīng)用于樣本。ANSYS 11 是一個包含各種材料的大型數(shù)據(jù)庫。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 不銹鋼表面Fe-Al梯度涂層的ANSY殘余應(yīng)力仿真分析
而對于ansy軟件的使用，需要使用者對理論知識和實踐知識都有很深刻的認(rèn)識，需要你不斷地在實踐中運(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。
在這個案例里面，你將掌握軸對稱單元的應(yīng)用、熱結(jié)構(gòu)耦合方式的求解、瞬態(tài)分析的步長等基礎(chǔ)知識。
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)耦合場問題。在ansys里面，求解耦合場問題，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，第二步在求解溫度場的基礎(chǔ)上根據(jù)熱膨脹系數(shù)求解應(yīng)力場，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。
為了使求解問題簡單化，同時不偏離實際過程。考慮到降溫過程材料的非線性變化，對模型我們要做以下假設(shè)：（1）涂層在制備時溫度處于應(yīng)力自由狀態(tài)（2）涂層在制備過程中不產(chǎn)生塑性變形或蠕變（3）不考慮材料相變引起的熱問題（4）假設(shè)涂層與基體、涂層與涂層之間不產(chǎn)生相對滑動。
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。在求解溫度場的分布之后，利用ETCHG,TTS命令轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)求解，同時利用LDREAD,TEMP,,,t,
,'l','rth',' '讀入熱分析的計算結(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 ANSYS斷裂分析實例
/POST1
*GET,K,CINT,1,CTIP,1,,5,,K1
*STATUS,K
兩個應(yīng)力強(qiáng)度因子的計算結(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
!
關(guān)于ANSYS斷裂力學(xué)分析清單
9) 材料構(gòu)型力:材料力主要用于分析材料的缺陷，如位錯，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)動力（J積分）。材料力的計算不考慮作用在裂紋表面的載荷。
10) C*積分:對于高溫蠕變裂紋擴(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，此時能有效地反映裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場的是蠕變斷裂參量C*。
來源：本文來自CAE技術(shù)聯(lián)盟公眾號，版權(quán)歸作者所有。
展開 
ANSYS 斷裂力學(xué)新功能之SMART自適應(yīng)裂紋萌生分析
分別定義裂紋生成計算編號，斷裂參數(shù)，計算積分圍線，裂紋萌生的ADPCI編號，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，程序會自動填充節(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，程序會自動生成兩個內(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，對應(yīng)的擴(kuò)展裂紋編號，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，由于使用smart分析方法會自動在裂紋處加密網(wǎng)格，為減小計算量，設(shè)置裂紋擴(kuò)展網(wǎng)格粗化選項，可能會影響計算精度
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)展過程，本例設(shè)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(dá)到裂紋插入準(zhǔn)則信息提示。達(dá)到準(zhǔn)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(biāo)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(rèn)橢圓形裂紋坐標(biāo)位置時，會在每個子步標(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 