沖擊陶瓷開裂的案例
使用brittle cracking模擬沖擊下的陶瓷開裂
brittle cracking主要用于模擬一些脆性材料
其中幫助文檔23.6.2 Cracking model for concrete部分詳細(xì)講述了brittle cracking的應(yīng)用及參數(shù)含義
在此簡(jiǎn)單介紹一下，有想學(xué)習(xí)的可以一起探討：
在此上傳一個(gè)簡(jiǎn)單的模型圖及結(jié)果吧，由于這里涉及很多細(xì)節(jié)問題，不再一一描述，每個(gè)參數(shù)的變化、網(wǎng)格密度的改變都會(huì)影響開裂，一些基本的簡(jiǎn)單規(guī)律如下（這些規(guī)律很好理解，主要是跟參數(shù)的含義有關(guān)），大家可以在調(diào)試的時(shí)候參考，做有限元還是得自己多調(diào)試，多摸索。
1 失效應(yīng)變或位移越大，小球沖擊后單元失效越多 2 剪切保留因子越小，小球沖擊后單元失效越多 3 斷裂應(yīng)力或斷裂能越小，小球沖擊后失效單元越多
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展開 新納米涂層可使工業(yè)陶瓷免受熱沖擊
由于能承受極端環(huán)境，陶瓷材料被用于核、化學(xué)和發(fā)電行業(yè)。不過，在高溫下，陶瓷容易因快速溫度改變事件（比如冷水滴同熱表面接觸）引發(fā)的熱沖擊而斷裂。在一種新穎的跨學(xué)科方法中，美國(guó)新墨西哥大學(xué)的工程師在美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)（AIP）出版集團(tuán)下屬《美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)進(jìn)展》雜志上報(bào)告了一種預(yù)防陶瓷熱沖擊的廉價(jià)、簡(jiǎn)單疏水涂料。
“我們利用了完全相同的材料，但控制了熱傳遞，使陶瓷經(jīng)歷更加溫和的溫度梯度、減輕拉伸應(yīng)力，由此極大改善熱沖擊行為。”論文作者之一Youho Lee介紹說。
熱沖擊是未意識(shí)到玻璃對(duì)急劇溫度變化非常敏感的新手廚師在廚房中通常經(jīng)歷的一種現(xiàn)象。如果剛從烤箱熱度中恢復(fù)的玻璃沙鍋受到冷水沖擊，表面溫度的突然降低會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生不均衡的溫度梯度，引發(fā)拉伸應(yīng)力以及最終的破裂。相同的熱沖擊敏感性也會(huì)影響工業(yè)陶瓷的壽命。
從跨學(xué)科的學(xué)術(shù)背景出發(fā)，Lee決定探尋熱傳遞對(duì)陶瓷熱沖擊的影響。他通過拍攝水滴對(duì)加熱陶瓷表面影響的高速視頻分析了熱傳遞。“當(dāng)熱傳遞快速進(jìn)行時(shí)，碰撞瞬間會(huì)產(chǎn)生猛烈的氣泡和表面上的噴射流。”
研究發(fā)現(xiàn)，這些更加快速的熱傳遞模式同材料強(qiáng)度的減少相對(duì)應(yīng)。當(dāng)陶瓷被加熱至325℃時(shí)，出現(xiàn)了更加劇烈的液滴動(dòng)力學(xué)過程（表明更加快速的熱傳遞），材料強(qiáng)度也相應(yīng)地大幅下降。不過，在高于325℃時(shí)，材料強(qiáng)度似乎較少受到熱沖擊影響，同時(shí)液滴動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變，形成更加明顯的蒸汽膜。
為減少熱傳遞以及陶瓷在高達(dá)325℃時(shí)經(jīng)歷的熱沖擊，Lee利用了一些核工程學(xué)的基本知識(shí)，也就是說，二相熱傳遞速率可通過將水從表面驅(qū)趕走以形成絕緣蒸汽膜而被降低。為此，他在陶瓷表面涂上納米粒子，產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)的疏水面。當(dāng)試驗(yàn)在擁有新涂層的陶瓷材料上重復(fù)時(shí)，水滴動(dòng)力學(xué)得到極大改變，也沒有猛烈的泡沫噴出。而蒸汽膜的形成被觀察到。關(guān)鍵在于擁有新涂層的陶瓷在水滴撞擊后并未出現(xiàn)強(qiáng)度上的改變。
展開 剛性小球高速沖擊陶瓷高腳杯仿真
1問題的提出
眾所周知，沖擊速度影響被沖擊物體破壞的程度。但其實(shí)被沖擊物體的表面造型也影響著沖擊的破壞程度。為探究物體表面造型對(duì)沖擊破壞程度的影響，本文選擇具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的高腳杯進(jìn)行仿真分析，高腳杯的內(nèi)外杯壁厚度及造型均不相同，當(dāng)物體以一定速度沖擊杯壁時(shí)，杯壁本身可以形成對(duì)比分析。本文采用ANSYS LSDYNA進(jìn)行了剛性小球高速、低速沖擊陶瓷高腳杯仿真，對(duì)比探討了沖擊速度對(duì)破壞程度的影響。
2有限元分析
（1）NX 10.0進(jìn)行高腳杯的幾何建模
由于高腳杯的曲面造型較為復(fù)雜，同時(shí)杯底與杯口設(shè)有倒角，因此幾何模型用專業(yè)建模軟件建立，本文采用NX 10.0建立的高腳杯幾何模型，其幾何設(shè)定的幾何參數(shù)來自市場(chǎng)常用的高腳杯數(shù)據(jù)如圖2-1所示，高腳杯渲染圖如圖2-2所示。
圖2-1高腳杯建模圖
圖2-2高腳杯渲染圖
（2）WB進(jìn)行剛性球及沖擊距離的設(shè)定
高腳杯的幾何模型在NX 10.0建立完成后，將模型導(dǎo)出成文本文件保存后在WB中打開，用DM進(jìn)行剛性球的建立與沖擊距離的設(shè)定，這里分開建模的好處是便于沖擊距離的設(shè)定與后期小球直徑與沖擊距離的修改調(diào)整，不必來回切換建模軟件。剛性球的半徑設(shè)為9mm，沖擊距離設(shè)為0.1m。整個(gè)沖擊系統(tǒng)建模如圖2-3所示。
圖2-3沖擊系統(tǒng)模型
（3）ANSYS APDL進(jìn)行部分前處理
在WB中完成沖擊系統(tǒng)的建模后，同樣將文件保存為文本格式導(dǎo)入到ANSYS APDL中進(jìn)行前處理。選擇ANSYS LSDYNA仿真環(huán)境，首先設(shè)定單元為顯示3D Solid164單元，再設(shè)定小球?yàn)閯傮w材料，高腳杯任意選擇一種彈性材料（高腳杯是陶瓷材料，用UE編輯器直接修改關(guān)鍵字為*MAT_110）后進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)定，適當(dāng)試錯(cuò)調(diào)試網(wǎng)格大小后的網(wǎng)格劃分如圖2-4所示。
展開 陶瓷板熱沖擊相場(chǎng)斷裂ABAQUS模擬
模型尺寸為50 mm × 9.8 mm，初始溫度設(shè)置為680 K, 環(huán)境溫度設(shè)置為 300K；
材料參數(shù)如表所示
最終裂紋形態(tài)如圖所示：
【模型下載】用cohesive element做的脆性材料隨機(jī)開裂模型（沖擊復(fù)合材料層壓板）
脆性材料，任意兩個(gè)單元之間插入cohesive 單元，模擬其隨機(jī)開裂。
采用顯式求解器
附件是abaqus自帶的hashin+cohesive的模型inp文件，歡迎下載。
Job-42_7d_73_5v_shell.rar
