裂紋擴展
關注創(chuàng)建者：YQ拾憶 創(chuàng)建時間：2015-12-29
裂紋擴展的視頻教程
abaqus裂紋擴展與斷裂專題
數(shù)值模擬與實驗結果的對應關系 數(shù)值裂紋擴展與實驗現(xiàn)象的對比思路 如何從仿真角度解釋裂紋演化過程 二、建模部分（課程重點，核心內(nèi)容） 預制裂紋建模與裂紋擴展過程分析 裂紋幾何建模與 Seam 的正確使用 裂尖區(qū)域網(wǎng)格劃分與奇異單元設置 裂紋擴展過程的可視化與結果分析 基于 XFEM 的裂紋起裂與擴展模擬 XFEM 裂紋定義與富集區(qū)域設置 損傷起始與損傷演化參數(shù)的設置方法
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ABAQUS疲勞分析專題-汽車懸置架疲勞分析-預制裂紋循環(huán)載荷下的疲勞裂紋擴展-腐蝕鋼絲疲勞壽命計算等
預制裂紋循環(huán)載荷下的疲勞裂紋擴展 本模塊將重點介紹如何在ABAQUS中模擬預制裂紋的疲勞擴展。通過循環(huán)載荷作用下的裂紋擴展分析，我們將探討裂紋增長過程中的關鍵參數(shù)，包括裂紋尖端的應力強度因子、裂紋生長速率及其與材料疲勞性能的關系。學員將掌握如何在ABAQUS中建立合適的裂紋模型，并通過后處理模塊分析裂紋擴展路徑和裂紋壽命，評估其對整體結構安全性的影響。
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如何快速掌握基于ABAQUS軟件的焊接、裂紋擴展、子程序二次開發(fā)等數(shù)值模擬方法
適用人群：需要使用ABAQUS進行焊接（平板焊接、圓桶焊接、摩擦攪拌焊接、釬焊等）、裂紋擴展（XFEM裂紋擴展、基于內(nèi)聚力面的裂紋擴展、基于內(nèi)聚力單元的裂紋擴展、基于虛擬裂紋閉合法的裂紋擴展等）、子程序二次開發(fā)等的工程技術人員、高校老師、科研機構技術人員、在校學生等。
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裂紋擴展的實例教程
#############################還是先上個圖吧#################################
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圖0 疲勞裂紋擴展應力云圖
圖00 疲勞裂紋擴展phi
圖000 疲勞裂紋擴展a-N曲線圖
###基于Paris公式的低周疲勞裂紋擴展仿真###
首先再次再次再次強調(diào)，基于Paris的裂紋擴展仿真必須要預制裂紋，也就是說該方法只能用于模擬裂紋的擴展過程，而不能用于裂紋的萌生過程。
（1） 建立part：plate和crack
（2） 定義材料屬性、截面屬性和賦予截面屬性：E = 2e5， μ = 0.33，只給plate賦予截面屬性
（3） 幾何裝配：建模和裝配中的一些注意事項見貼（一），尤其是后面的網(wǎng)格劃分問題，有可能就會導致所有設置都沒問題但是裂紋根本不擴展，當然，裂紋死活不擴展的可能原因有很多，我發(fā)現(xiàn)的只是其中一個。
（4） 模型劃分
（5） 設置相互作用（定義裂紋）：前面提過，ABAQUS裂紋仿真靜態(tài)裂紋參數(shù)計算和裂紋擴展只能二選一，而且裂紋參數(shù)計算只能用于三維模型，因此這里默認為裂紋發(fā)生擴展。注意：這里最好要定義接觸條件，不然后面的關鍵詞你不知道寫在哪，那樣更麻煩。
展開 裂紋擴展模擬一直是學術界和工業(yè)界的一個難題。Ansys機械提供分離變形和自適應重網(wǎng)格
模擬脆性材料裂紋擴展的SMART技術。SMART裂紋擴展方法自動評估裂紋尖端的斷裂參數(shù)（應力強度因子或j積分），并根據(jù)用戶定義的臨界值進行檢查。該算法還計算了滿足裂紋擴展準則時的裂紋擴展角。隨著裂紋的擴展，裂紋尖端周圍的網(wǎng)格自適應細化。
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其中,L01 前緣裂紋從初始裂紋長度c0 = 2. 0 mm 擴展到最終裂紋長度cc = 19. 95mm,模型發(fā)生了斷裂失效,裂紋擴展壽命10 892 周次;L02葉背裂紋從c0 =2． 0 mm 擴展到cc = 12. 08 mm,模型發(fā)生了斷裂失效,裂紋擴展壽命11093 周次;L03 后緣裂紋從c0 =2． 0 mm 擴展到cc =18. 6 mm,模型發(fā)生了斷裂失效,裂紋擴展壽命13 479 周次。
由于裂紋擴展速率大小取決于應力強度因子,裂紋擴展的同時,應力強度因子會逐漸增大,裂紋擴展速率迅速增大。根據(jù)葉片有限元模擬仿真結果可知,葉片背部應力分布要大于前緣和后緣,所以葉背的應力強度因子大小也會比前緣和后緣更大,導致葉片背部的裂紋擴展速率大于葉片的前緣和后緣;同理,葉片前緣的裂紋擴展速率要大于后緣,裂紋擴展壽命壽命與裂紋擴展速率呈現(xiàn)相反趨勢,因此葉背區(qū)域的裂紋擴展壽命最短,裂紋后緣區(qū)域的裂紋擴展壽命最長。
裂紋擴展路徑結果如圖7 所示,可以看出葉片裂紋擴展模型L01-L03 的擴展方向基本與水平方向一致。
圖7 葉片裂紋擴展模型L01-L03 最終裂紋擴展尺寸
3. 2 初始裂紋前緣形狀對葉片疲勞壽命的影響
葉片初始裂紋的前緣形狀a0 / c0 不同,裂紋擴展形貌、裂紋擴展壽命均會受到一定影響。
展開 1基本理論
在進行疲勞裂紋擴展計算時，兩款軟件的基本理論相同，均是基于Paris公式。不同的是，Abaqus僅提供了能量釋放率形式的Paris公式，即
而Marc還提供了應力強度因子形式的paris公式。兩種公式形式下的參數(shù)C和m有所不同。
Abaqus通過下式判斷疲勞裂紋何時開始擴展
而Marc則通過在分析工況中選中相應的初始裂紋，通過設置多個分析工況，控制裂紋開始擴展的時間。
2軟件分析過程
ABAQUS
Abaqus進行疲勞裂紋擴展分析時，分析步需選擇Direct cyclic。另需編輯關鍵字，輸入?yún)?shù)C、m等。
初始裂紋建模與其它類型的裂紋相似，通過擴展有限元方式建立初始裂紋及實現(xiàn)裂紋的擴展，因此初始裂紋需剛好穿過整數(shù)個單元，才能實現(xiàn)初始裂紋的準確建模。Abaqus中，每次疲勞裂紋擴展的距離為一個單元，然后軟件會以單元的長度和得到的能量釋放率，通過Paris公式計算出對應的疲勞周次，直接跳轉到相應的循環(huán)次數(shù)，進行后續(xù)的計算。
Abaqus軟件的疲勞裂紋擴展分析暫不支持非線性，僅可定義裂紋面之間的接觸。
Marc
Marc軟件進行疲勞裂紋擴展分析時，與常規(guī)分析裂紋沒有太大差別，無需定義特殊的分析類型。初始裂紋建模和裂紋的擴展則是通過網(wǎng)格重劃分實現(xiàn)。
Marc軟件中，每次疲勞裂紋擴展的距離有兩種控制方式。方式1：直接由Paris公式計算出擴展的距離，逐一計算各疲勞周次。
展開 VCCT計算要求有限元網(wǎng)格位于裂紋擴展方向。裂紋尖端分量、裂紋平面法線和裂紋擴展方向提供了計算所需的數(shù)據(jù)：
CINT, CTNC, CRACK_RIGHTR—指定裂紋尖端組件名稱（Par1=CRACK_LIGHTR）。
CINT, NORM, 0, 2——指定全局笛卡爾坐標系（Par1=0[默認]）和坐標系的笛卡爾Y軸（Par2=2[默認]）。
通過假設平面裂紋平面，根據(jù)整體笛卡爾坐標系定義裂紋平面和裂紋擴展方向。
裂紋擴展計算設置
以下命令啟動裂紋擴展計算：
CGROW,NEW, 1——指定裂紋擴展數(shù)據(jù)集ID為1。
CGROW,CID, 1——輪廓積分計算ID，CGROW, NEW指定的值相同。
CGROW,CPATH,CPATH_RIGHTR——裂紋路徑的界面元素組件名稱。
CGROW,FCOPTION,MTAB，6——指定裂紋擴展的線性斷裂標準（如材料表中TB,CGCR,,,,linear定義）和材料ID 6。
以下命令指定裂紋擴展的求解控制：
CGROW,DTIME,1E-3——檢測到裂紋擴展的初始時間步長。
CGROW,DTMIN,1E-4——檢測到裂紋擴展時允許的最小時間步長。
CGROW,DTMAX,2E-2——檢測到裂紋擴展時允許的最大時間步長。
CGROW,FCRAT,1——斷裂標準比（fc，通常約為1）。
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裂紋擴展的最新內(nèi)容
通過該測試，可明確材料抵抗裂紋起裂與擴展的本征能力。這不僅是材料篩選的關鍵指標，更是后續(xù)一切疲勞壽命預測的基準數(shù)據(jù)。
變速處理后最大撕裂能測試演示
02
解析循環(huán)載荷下的裂紋擴展行為
針對文中重點討論的疲勞裂紋問題，我們提供 “全松弛疲勞裂紋擴展測試” ，此測試可精確獲得材料的裂紋擴展速率（da/dN）與撕裂能的關系曲線，并識別出疲勞門檻值 Gth。
03
完善的模型庫
內(nèi)置經(jīng)過工業(yè)驗證的成熟材料模型，如Thomas疲勞裂紋擴展模型、Lake-Lindley疲勞極限模型等，可精確描述包括應變結晶效應在內(nèi)的多種橡膠材料行為。
04
顯著降低測試成本
通過仿真分析篩選出不合格的設計方案，從而將實物測試資源集中于最具潛力的設計方案上。
核心測試
疲勞裂紋擴展測試、動態(tài)變載荷循環(huán)疲勞拉伸、最大撕裂能測試、本征強度測試。
工程價值
量化材料的疲勞裂紋擴展速率與裂紋萌生壽命，確定其耐久極限，為基于物理機理的疲勞壽命預測模型提供關鍵輸入。
疲勞裂紋擴展測試示意圖
粘彈性、粘滯生熱與熱力學屬性
表征材料對時間、頻率和溫度的依賴性，對于預測動態(tài)工況下的性能與生熱至關重要。
量化“非共價作用”的耗能效率：
動態(tài)疲勞裂紋擴展測試
綜述強調(diào)，非共價相互作用是分子工程的核心耗散機制。我們的此項測試，通過精確測量裂紋擴展速率（da/dN），能直接量化不同分子設計（如氫鍵密度、離子相互作用強度）在循環(huán)載荷下反復斷裂與重建的耗能效率，為評判分子設計方案的長期耐久性提供最直接的實驗證據(jù)。
https://img.jishulink.com/202604/attachment/756da8700b9a4819b6837ccbfd100195.png">
</figure>
</figure><p class="ql-align-justify">代入仿真得到的平均蠕變應變能密度增量1.779，焊球/焊盤直徑0.8mm，得到焊球的溫循疲勞壽命為：裂紋萌生壽命54.5 cycles，裂紋擴展壽命
損傷演化可視化：程序包含后處理模塊，可生成裂紋擴展路徑、損傷場分布圖。
參數(shù)可調(diào)：材料參數(shù)、幾何尺寸、離散間距及迭代終止條件均可靈活修改。
<p>基于EFG方法的剛性彈丸沖擊水泥墻裂紋擴展仿真，供研究參考。
這個假設帶來了嚴重的物理矛盾：
應力奇異性：根據(jù)LEFM，裂紋尖端的應力隨 發(fā)散，理論上趨于無窮大，裂紋擴展將無任何阻力應變奇異性：位移梯度在尖端處同樣發(fā)散
1.2 無法解釋的"尺寸效應"
經(jīng)典理論的另一個致命缺陷是無法考慮缺陷尺度對承載能力的影響：
實驗觀測經(jīng)典理論預測矛盾小孔試樣的斷裂強度顯著高于大孔試樣
圖 ４ 改變不同參數(shù)拉伸單單元測試結果
3.2 MAT _58 關鍵參數(shù)捕捉
1）等效失效應變（ERODS）的標定
ERODS與材料的斷裂韌性（即抵抗裂紋擴展的能力）密切相關。本研究通過雙邊缺口拉伸（DENT）試驗來標定該參數(shù)。
制備特定幾何的帶缺口試樣進行拉伸，獲得其載荷-位移曲線與峰值載荷（平均約11,511 N）。
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、裂紋擴展長度等關鍵參數(shù)的計算精度。
從工程適用性角度考量，該方法可直接服務于巖石切削工藝優(yōu)化。在石油工程鉆井、礦山機械切削等實際場景中，巖石內(nèi)部存在天然微裂紋與缺陷，多裂紋擴展直接影響切削效率與刀具磨損。
