ansys 斷裂韌性的案例
鋼材韌性及斷裂原因研究
雖然斷裂韌性值大大方便了每種鋼的選擇，然而這些參數很難適用于所有鋼材。
主要原因有：
第一，因為在鋼的冶煉時需加入一定數量的某種或多種合金元素，成材后再經簡單熱處理便可獲得不同的顯微組織，從而改變了鋼的原有性能；
第二，因為煉鋼和澆注過程中產生的缺陷，特別是集中缺陷（如氣孔、夾雜等）在軋制時極其敏感，并且在同一化學成分鋼的不同爐次之間，甚至在同一鋼坯的不同部位發生不同的改變，從而影響鋼材的質量。
由于鋼材韌性主要取決于顯微結構和缺陷的分散（嚴防集中缺陷）度，而不是化學成分。所以，經熱處理后韌性會發生很大變化。要深入探究鋼材性能及其斷裂原因，還需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材韌性的關系。
1.鐵素體-珠光體鋼斷裂
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產量的絕大多數。它們通常是含碳量在0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為提高屈服強度及韌性而加入的其它少量合金元素的合金。
鐵素體-珠光體的顯微組織由BBC鐵（鐵素體）、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含量很低的碳鋼中，滲碳體顆粒（碳化物）停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當碳含量高于0.02%時，絕大多數的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結構，而稱為珠光體，同時趨向于作為“晶粒”和球結（晶界析出物）分散在鐵素體基體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光體含量占10%～25%。
盡管珠光體顆粒很堅硬，但卻能非常廣泛地分散在鐵素體基體上，并且圍繞鐵素體輕松地變形。通常，鐵素體的晶粒尺寸會隨著珠光體含量的增加而減小。因為珠光體球結的形成和轉化會妨礙鐵素體晶粒長大。因此，珠光體會通過升高d-1/2（d為晶粒平均直徑）而間接升高拉伸屈服應力δy。
從斷裂分析的觀點看，在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼，其性能令人關注。
展開 復合材料的斷裂和韌性
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斷裂韌性的測試原理和方法（pdf格式） ￥1
斷裂韌性的測試原理和方法（pdf格式）
復合材料纖維方向斷裂韌性的測量方法
熟悉Abaqus內嵌的二維hashin漸進失效模型的同學都知道，在判斷損傷起始以后，需要依據材料的斷裂韌性對剛度進行退化，如下圖所示。
上述表格中的數據即為材料不同方向拉壓開裂時的斷裂韌性，在Hashin漸進失效模型中，四個斷裂韌性的數值分別用于求解四個失效位移值，如下圖所示。
以纖維方向拉斷為例，Gft為纖維方向拉斷對應的斷裂韌性，XT為單向板0°方向的拉伸強度，根據這兩項就可以推出其失效位移為：
一般的，對于基體的斷裂韌性我們可以通過雙懸臂梁實驗（DCB實驗，參見標準ASTM5528）來測得I型斷裂韌性。或者通過ENF試驗來測得II型斷裂韌性。
DCB實驗示意圖
ENF實驗示意圖
目前在文獻或者試驗標準中看到的都是針對基體或者界面的測試方法，很少有人去測試垂直纖維方向斷裂時的斷裂韌性。
本文將簡單介紹一下沿纖維方向斷裂時的斷裂韌性測試方法，文獻中能夠查找到的大多都是基于CT和CC試樣，下圖所示是拉伸斷裂時的斷裂韌性測試方法及建議的試件尺寸，其參考的試驗標準是ASTM E399。
CT試樣示意圖
類似的，當測試壓縮斷裂韌性時，采用CC試樣，其參考試驗標準是ASTM E1820，如下圖所示。
CC試樣示意圖
纖維方向開裂時的斷裂韌性一般要遠大于基體開裂時的斷裂韌性，例如，文獻中的纖維拉伸斷裂韌性大約在50-150N/mm之間，而基體斷裂韌性大約在0.2-1.5N/mm之間，相差可以達百倍。
上述實驗在實際操作過程中是很容易失敗的，因為基體強度很低，即使按照試驗標準建議的尺寸加工試件，在測試時，有可能會出現裂紋90°拐折，導致測不出纖維拉斷或壓斷時的斷裂韌性，因此對試件的加工要求很高，感興趣的可以嘗試一下，國內測試這類數據的還是很少的。
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哈佛大學鎖志剛院士課題組：寬度和厚度依賴的軟材料斷裂韌性
這些材料在應用過程中，其斷裂韌性是一個非常重要的力學參數。通常情況下，材料的斷裂韌性被認為是一個材料常數。它不依賴于材料的幾何形狀和加載方式。
圖1：軟材料的180°剝離實驗
近日，哈佛大學鎖志剛院士課題組關于軟材料斷裂韌性的研究有了新的發現。研究人員以彈性體為模型材料，使用180°剝離實驗測量軟材料的斷裂韌性（圖1）。在未變形狀態下，彈性體的長度為L、厚度為H、寬度為B。在固化過程中，使用低粘性的薄膜在彈性體中引入一個長度為C的預制裂紋（圖1a）。將可彎曲但不可拉伸的背膜粘在試件的上下兩面。試件通過拉伸機進行加載(圖1b)。在加載過程中，兩個加載臂在豎直方向呈一條直線。載荷傳感器記錄剝離力F(圖1c)。剝離力從零開始逐漸增加。這對應著裂紋尖端的鈍化過程。當裂紋穩定擴展時，剝離力穩定在一個平臺，記作Fss。材料的韌性通過Γ=2Fss/B 計算得到。當B/H比較大時，彈性體的裂紋尖端在剝離過程中處于平面應變狀態 (圖1d)。當B/H比較小時，彈性體的裂紋尖端在剝離過程中處于平面應力狀態 (圖1e)。
研究人員首先固定樣品的厚度H，測量不同寬度B的樣品的剝離韌性。實驗結果如圖2所示。可以看到，當試件的寬度B比較小時，材料的斷裂韌性隨寬度B增加而增加。當試件的寬度B比較大時，材料的斷裂韌性隨寬度B增加保持不變。寬度大的試件測得的材料韌性比寬度小試件測得的材料韌性高出一個數量級。
圖2：斷裂韌性隨試件寬度B變化
材料的斷裂韌性隨寬度增加這一現象可以作如下解釋。考慮斷裂過程區中的一個物質點。這一點的應力在試件的加載方向上不為零。
展開 【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準則---{ 問題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點的損傷初始化準則，以及cd段的損傷演化（損傷后材料剛度退化路徑）。材料軟化后可持續承載，直到達到d點，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區間應力-應變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準則，包括韌性準則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準則（shear damage）。也就是圖2中紅框內的三個準則，它們都屬于金屬承載后產生裂紋的準則。
金屬板的徑縮不穩定損傷初始化準則，包括幾種成形極限圖，用于評估鈑金件的可成形性。也就是紅框外的幾個準則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構模型導圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準則和剪切準則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機理時用到不同的損傷起始準則（hooputra2004）：
機理1，由于內部（微裂紋）的成核、生長和孔隙的聚集產生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機理1韌性斷裂
機理2，由于剪力帶局部化產生的剪切斷裂，這時shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 ANSYS斷裂分析實例
/POST1
*GET,K,CINT,1,CTIP,1,,5,,K1
*STATUS,K
兩個應力強度因子的計算結果基本一致，將斷裂韌性除以K，就可以得出安全系數，判斷裂紋是否擴展。
例三：（交互積分法求應力強度因子）
（整理自ANSYS的HELP）
例子位置索引:
有限元模型：
FINISH$/CLEAR
!
Ansys Mechanical 疲勞與斷裂新功能介紹
直 播 內 容 簡 介
為方便更好的學習使用和了解 Ansys Mechanical ，這里向大家推薦一場今日直播，為Ansys5月直播合集第七場，本月還僅剩3場，【Ansys Mechanical 疲勞與斷裂新功能介紹 】，以下為直播詳情：
直播時間
2023 / 5/ 23 （今日）16.00-17.00
直播內容
Fatigue以及斷裂力學方法是分析結構耐久性的兩種主要方法。
Ansys Mechanical疲勞與斷裂新功能介紹
An
sys斷裂力學功能概
覽
Ansys斷裂參數計算功能更新
Ansys SMART功能更新
Ansys nCode Design Life
總結
1、斷裂參數計算：橢圓形裂紋、環形裂紋
2、SMART斷裂：自動起始、非比例加載
3、nCode DesignLife：更多參數設置，減小文件大小
深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。
十多年來，優飛迪科技在數字孿生、工業軟件尤其仿真技術、物聯網技術開發等領域積累了豐富的經驗，并在這些領域擁有數十項獨立自主的知識產權。
展開 關于ANSYS斷裂力學分析清單
彈塑性斷裂力學——延性斷裂（韌性斷裂）：斷裂前有明顯的屈服現象，斷裂時能吸收較多能量，斷裂后有較大的永久變形。
4、常用的斷裂參數
應力強度因子：下面考慮二維的I型裂紋問題。圖給出一個以裂紋端點為原點的坐標系，此坐標系x方向是裂紋正前方，y方向是裂紋面的法線方向，z方向則是離開紙面的方向。考慮一個離裂端很近，位置在極坐標(r，θ）的單元，其應力狀態可以用σx、σy和τxy三個應力分量來表示。
1)由彈性力學（橢圓孔口問題）的解析解，得裂端的應力場恒為＋高次項
在裂端區，即r足夠小的情形下，式中r的高次項比首項小得多，因而可以忽略。
2)從上式可見，裂端區應力場的形式恒定，其強度完全由KI值的大小來決定，因此就稱KI為I型裂紋的應力強度因子。裂端區的應變場可以由彈性力學公式求得為：
我們的興趣不在于得到精確的應變場形式，而在于知道應變分量也只由應力強度因子來確定。
3) 三種基本裂紋型的裂端區應力場給出的裂端區應力場有一個共同的特點，即r→0時，即在裂紋端點，應力分量均趨于無限大。這種特性稱為應力奇異性（stress singularity）。
4) 為何會出現應力奇異性呢？這是因為裂紋端點是幾何上的不連續點的緣故。
5) 三種基本裂紋型裂端區某點的應力值、應變值、位移值和應變能密度值都由應力強度因子及其位置來決定。因此，只要知道應力強度因子，裂端區的應力、應變、位移和應變能密度就都能求得。由于有這一特點，應力強度因子可以作為表征裂端應力應變場強度的參量。近代斷裂力學，就是Irwin在五十年代中期提出了應力強度因子的概念，認識到它的意義后才開始發展起來的。
展開 基于ANSYS ls-dyna拉伸斷裂實驗模擬
基于ANSYS ls-dyna拉伸斷裂實驗模擬
作者：大龍貓 微信公眾號：CAE_ANSYS
拉伸斷裂實驗是測試材料的經典實驗，可以測量材料的應力應變曲線，測量材料的抗拉強度，作為經典的實驗如何獲取其模擬過程呢？仿真分析軟件AYSYS在默認的情況下，無論受力多大都不會被拉斷，其主要原因是算法的問題。
ANSYS Mechanical 2022 新功能：單元、接觸、斷裂力學、并行計算
本期是ANSYS Mechanical 2022 功能更新之單元、接觸、斷裂力學、并行計算。
文末領取學習資料
下面我們看看具體的更新內容：
一、單元部分
增強單元性能加強
面增強單元的彎曲剛度
使用單軸剛度單元進行反向求解
耦合單元的增強
運動副單元增強
二、接觸部分
基于Dual Shape函數的接觸算法
新的自適應小滑移選項
殼-實體組裝件的準確性改進
螺栓預緊支持通用軸對稱單元
網格獨立點焊增強功能
瞬態動力學精度改進：HHT算法
力矩收斂參考值計算穩健性改進
三、斷裂力學
基于應力比率的疲勞裂紋閉合
Paris定律與裂縫閉合效應相結合
應力比率（R）相關的疲勞裂紋擴展規律
靜態裂紋擴展的溫度/時間相關斷裂準則
自適應裂紋初始化/插入
3D界面單元
動態裂紋擴展尺寸控制
四、求解器效率提升
資源預測增強
分布式求解增強
文章篇幅有限
下圖微信掃碼領取完整版學習資料
展開 ANSYS 斷裂力學新功能之SMART自適應裂紋萌生分析
分別定義裂紋生成計算編號，斷裂參數，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格發生變化時，程序會自動填充節點列表。如果不明確給出裂紋表面的節點組件名稱，程序會自動生成兩個內部節點組件。
CINT,NEW,11
CINT,TYPE,SIFS
CINT,NCON,4
CINT,INIT,1
CINT,SURF,CRKSURF1,CRKSURF2
!! 分別定義裂紋擴展分析編號，對應的擴展裂紋編號，以及使用smart分析方法進行裂紋擴展分析
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格，為減小計算量，設置裂紋擴展網格粗化選項，可能會影響計算精度
CGROW,RMCONT,coarse,aggr
!! 其中CONS – 使用保守的網格粗化 (default)
MODE – 適中網格粗化.
AGGR – 激進的網格粗化策略
5、設定載荷分析子步，建議設定較多的初始載荷子步和最小載荷子步捕捉裂紋擴展過程，本例設定了40個載荷步。
6、提交計算，計算過程中，在求解信息中會出現如圖中是否達到裂紋插入準則信息提示。達到準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位置和長短軸長度，以及輸出使用smart方法計算時重劃分網格的數目信息。
圖4求解過程信息提示
程序在確認橢圓形裂紋坐標位置時，會在每個子步標記所有滿足裂紋萌生條件的節點，并將它們分組到節點云中。節點云的幾何中心是橢圓的中心。
展開 基于ANSYS APDL的有裂紋平板問題的斷裂力學仿真（PLANE183）
在測出該材料的斷裂韌度后，用斷裂韌度除以應力集中因子，就得到安全系數，從而可以判斷，對于該裂紋構件，在此工作應力的作用下，裂紋是否會進一步擴展。
ANSYS知識普及系列24——各種斷裂力學方法的適用材料
本人準備出一個ANSYS知識普及系列，將有用的網上資料歸攏，由于知識水平有限，不對之處請諒解。也歡迎各位網友**好的資料分享，讓我們共同完成這個ANSYS知識普及系列。
編輯人：技術鄰ANSYS專家
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