裂紋擴展的案例
基于XFEM的裂紋擴展仿真過程詳解和仿真經驗交流（二）（包括直接循環載荷步疲勞裂紋擴展分析） ￥20
#############################還是先上個圖吧#################################
###### 請勿直接下單，聯系作者微信：SuChai_FEM 有優惠 ########
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，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，我發現的只是其中一個。
（4） 模型劃分
（5） 設置相互作用（定義裂紋）：前面提過，ABAQUS裂紋仿真靜態裂紋參數計算和裂紋擴展只能二選一，而且裂紋參數計算只能用于三維模型，因此這里默認為裂紋發生擴展。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 航空發動機葉片裂紋擴展規律數值模擬研究
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相反趨勢,因此葉背區域的裂紋擴展壽命最短,裂紋后緣區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 基于智能裂紋擴展方法在CT樣本中進行裂紋擴展傳播仿真 ￥5
裂紋擴展模擬一直是學術界和工業界的一個難題。Ansys機械提供分離變形和自適應重網格
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（應力強度因子或j積分），并根據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，裂紋尖端周圍的網格自適應細化。
?
采用Abaqus和Marc軟件的疲勞裂紋擴展分析對比
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，輸入參數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裂紋的擴展，因此初始裂紋需剛好穿過整數個單元，才能實現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次數，進行后續的計算。
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格重劃分實現。
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 
裂紋及其裂紋擴展的幾種形式
而裂紋擴展主要考察的是窄縫，并且有尖端的情況下在窄縫受到兩側力的作用，在其尖端產生大的應力，當應力達到破壞強度的情況下，裂紋繼續向前擴展，然后尖端應力會下降，之后將停止擴展，結果可以查看裂紋擴展的距離和應力變化過程，目前ANSYS Workbench可以完成的裂紋擴展有以下幾種
1.bond接觸開裂擴展裂紋，沿著bond的線開裂，結果如下圖所示，可以2D可以3D
2.尖端裂紋自由smart擴展裂紋，采用靜力單次擴展，擴展方向未知
3.尖端裂紋表面橢圓方式裂開，表面裂紋開裂
以上為裂紋擴展的一些方式，具體操作有很多種，而且大部分操作都不容易成功，很多情況都會報錯，需要細細體會其用法。
展開 改進型緊湊拉伸試樣疲勞裂紋擴展分析-ANSYS Workbench ￥3
研究的主要目標是展示裂紋擴展路徑的數值模型，并研究孔洞對改進型緊湊拉伸試樣（MCTS）在恒定振幅載荷條件下疲勞裂紋擴展和疲勞壽命的影響。研究使用了ANSYS Mechanical (Workbench)軟件，利用ANSYS中的智能裂紋擴展技術來準確預測裂紋擴展路徑和相關的疲勞壽命。巴黎定律模型被用來評估不同配置的MCTS在線性彈性斷裂力學（LEFM）假設下的混合模式疲勞壽命。這種方法涉及準確評估應力強度因子（SIFs）、裂紋擴展路徑，并通過增量裂紋擴展分析進行疲勞壽命評估。疲勞裂紋擴展結果表明，疲勞裂紋總是被孔洞吸引，因此它要么只能彎曲其路徑并向孔洞擴展，要么只能在孔洞丟失后從孔洞處漂浮并進一步擴展。在混合模式載荷條件下的裂紋擴展軌跡方面，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗結果相似，這些實驗觀察到了類似的結果。
3. : Setup
拖動Static Structural Analysis 到 ANSYS Workbench中:
4. : Engineering Data (Material Model)
o 選擇的材料為"SAE 1020 Carbon Steel".
展開 案例36-基于VCCT的復合材料疊層T形接頭裂紋擴展模擬
VCCT計算要求有限元網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據：
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——指定裂紋擴展數據集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）。
展開 ANSYS WORKBENCH疲勞裂紋擴展分析
接上一案例，采用ANSYS WORKBENCH進行疲勞裂紋擴展分析，模型參數與上一案例相同。
當采用圖示模型進行計算時，會有如下報錯信息。
于是依據模型對稱性，修改模型如下。
WORKBENCH中疲勞裂紋擴展基于應力強度因子形式的paris公式，相應材料參數中需添加圖示參數C和m。
ANSYS中提供了兩種疲勞裂紋擴展壽命計算方式，即固定裂紋擴展距離，計算每次擴展對應循環次數；或固定循環次數，計算相應循環次數對應裂紋擴展距離。
在Fracture下分別設置相應初始裂紋及裂紋擴展參數。
分析設置中修改Fracture Controls設置。
計算結果可獲取圖示的裂紋擴展距離、裂紋擴展壽命曲線及相應曲線的數值。
展開 多分析步下的裂紋擴展
無子步的分析步
使用上一節中的模型，完成了六步裂紋擴展。定義了一個簡單的載荷計劃，使用所有三個分析步的最后一個子步的總和，圖10.44。這個載荷計劃的周期數如圖10.45所示。
圖10.44 使用最后一個子步之和的簡單周期性加載事件。
圖10.45 使用最后一個子步之和的簡單循環載荷事件的周期計數。
對于同一模型，在第4步裂紋擴展時，如果用戶不小心關閉了從ABAQUS輸出所有子步的選項（見圖10.37），周期計數將受到影響。圖10.46顯示了裂紋擴展步4和分析步2的SIF；注意子步下拉菜單是灰色的，因為只有最后一個子步的SIF。圖10.47顯示了裂紋擴展步3的相同圖，其中顯示了所有子步的SIF。
圖10.46 裂紋擴展步4和分析步2的SIF圖。
圖10.47裂紋擴展步3和分析步2的所有子步的SIF圖。
使用與之前相同的載荷計劃（見圖10.44），周期計數如圖10.48所示。循環計數在裂紋擴展步4停止，并表明ΔK低于閾值。這不是真實的，但是FRANC3D識別到分析步和子步在第4步是不一致的，因此停止了循環計數。
這個例子是為了證明如果不小心的話可能會出現的問題。
展開 改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench ￥3
改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進的緊湊拉伸試樣的逐步疲勞裂紋分析。
步驟 1：概述
這項工作的主要目的是提出混合模式載荷下線性彈性材料中裂紋擴展路徑的數值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對疲勞裂紋擴展和疲勞壽命的影響。
ANSYS Mechanical（工作臺）利用 ANSYS 中的一項新功能即智能裂紋擴展技術，準確預測恒定幅值載荷條件下的裂紋擴展路徑和相關的疲勞壽命。
在線彈性斷裂力學 (LEFM) 假設下，采用巴黎定律模型評估具有不同 MCTS 配置的改進緊湊拉伸試樣 (MCTS) 的混合模式疲勞壽命。該方法涉及通過增量裂紋擴展分析準確評估應力強度因子 (SIF)、裂紋擴展路徑和疲勞壽命評估。
疲勞裂紋擴展結果表明，疲勞裂紋始終被孔吸引，因此要么它只能彎曲路徑并向孔擴展，要么它只能從孔中浮出并在孔消失后進一步擴展。就混合型載荷條件下裂紋擴展的軌跡而言，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗的結果相一致，這些實驗顯示了類似的觀察結果。
本教程主要基于 Abdulnaser M. Alshoaibi 和 Yahya Ali Fageehi 的論文“線性彈性材料疲勞裂紋擴展路徑的數值分析和壽命預測”。
第 2 步：設置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態結構分析：
步驟3：工程數據（材料模型）
本教程選定的材料是“SAE 1020 碳鋼”。
材料模型由各向同性彈性、拉伸屈服強度、拉伸極限強度和巴黎定律參數（C 和 m）組成。
展開 ARCAN 試樣靜態裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench ￥3
本教程包括 ARCAN 樣本的逐步靜態裂紋擴展分析。
步驟 1：概述
在復雜的飛機結構中，裂紋擴展很少以耐久性和損傷容限分析 (DADTA) 中假設的理想方式擴展。通常，施加的載荷并不垂直于裂紋成核特征和隨后的裂紋擴展。這種情況稱為混合型裂紋擴展，或更籠統地說，三維 (3D) 裂紋擴展。大多數 DADTA 僅假設 I 型載荷；因此，工程判斷用于估計理想模型中存在的誤差量。需要更好地了解混合型疲勞裂紋擴展，以設計更好的裂紋預測模型。在混合型疲勞裂紋擴展領域發表的研究成果很少，阻礙了更新、更準確的 DADTA 的開發。
第 2 步：設置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態結構分析：
步驟3：工程數據（材料模型）
本教程選定的材料是“SAE 1020 碳鋼”。
材料模型由各向同性彈性、拉伸屈服強度和拉伸極限強度組成。
步驟 4：幾何（SpaceClaim 模型）
在 SpaceClaim 上創建的厚度為 1.01 毫米的 ARCAN 樣本的尺寸如下所示：
步驟 5：定義裂縫（命名選擇）
在定義裂紋前沿和裂紋表面時，下圖中可見的邊緣和表面被用作命名選擇：
步驟 6：定義裂紋（預網格裂紋和 SMART 裂紋擴展）
利用上一步創建的命名選擇，“預網格裂紋”定義如下：
具有靜態裂紋擴展選項和 600 MPA.mm ^ (0.5) 應力強度因子的“SMART 裂紋擴展”已通過預網格裂紋定義：
步驟 7：網格操作
已實施“面片符合方法”和“裂紋前沿細化”的默認網格操作。
展開 
ABAQUS裂紋尖端應變、裂紋擴展模擬及問題
前幾天有人問我ABAQUS做焊點分析，我一看他給我的一片文獻，其實是用ABAQUS做裂紋擴展分析。之前也沒接觸過裂紋分析，于是照貓畫虎做了個算例，但是裂紋沒有擴展。
ABAQUS做裂紋有三種方法：contour integral，擴展有限元及VCCT法，這里用了contour integral法。
如圖所示，V形楔形處有一個預制裂紋，是采用Interaction模塊的assign seam設定的，裂紋的擴展面及方向是通過crack來設定的，類型為contour integral。材料模型定義了塑性應力-應變關系，彈性參數、GTN參數、脆性失效參數等。模型上的兩個孔，一個固支、一個勻速拉。預期當裂紋尖端的單元變形達到某一個值時將刪除單元。
您看見了就給個意見唄。
步驟：
建立模型，進行適當的partition
定義材料：分別定義了elastic彈性參數、plastic真實應力-應變關系、GTN模型參數、脆性失效參數（包括一個叫演化參數）。
定義預制裂紋、定義裂紋擴展面、方向，定義失效單元的generation。
邊界條件，提交job，查看結果。
結果：預期模型在塑性變形不是很大時就會產生裂紋擴展，但是模型產生了很大塑性變形后仍然沒有發生失效。
Mises應力場：
x方向正應力場
x方向真實應變場
x方向塑性應變場
裂紋尖端應變的結果還是挺漂亮的，雖然正確性有待考證，如果裂紋出來了就完美了，可惜裂紋沒出來。
展開 【CAE案例】氣冷堆（AGR）堆芯中石墨磚的裂紋擴展分析
圖5：模型Ⅲ示意圖
模擬過程與結果分析
模擬裂紋的擴展有很多方法，最常用的是基于Griffith微裂紋理論的方法，還有內聚力（Cohesive Zone Modelling, CZM）方法以及基于損傷理論的方法等。本研究采用了基于Griffith微裂紋理論和損傷理論對以上三個石墨磚模型進行裂紋擴展分析。
基于Griffith理論法模擬裂紋
在結構有限元仿真軟件中使用
DEFI_FISS_XFEM命令定義裂紋的位置，然后使用
MODE_MODELE_XFEM命令將裂紋賦予模型中，最后使用
CALC_G命令可輸出裂紋在裂尖的應變能釋放率
G，該系數表示裂紋每擴展單位面積所釋放出來的能量。
Gc為臨界應變能釋放率，表示裂紋擴展單位面積所需要的能量。在
2D模型中，若當應變能釋放率
G小于臨界應變能釋放率
Gc時，裂紋不擴展，當
G=Gc時，裂紋擴展；在
3D模型中，需要確定裂紋前沿擴展的位置（
G＞
0.75Gc)。如圖
6所示為裂紋擴展方向的確定，裂紋朝著最大切應力方向擴展。
圖6：裂紋擴展方向
在計算裂紋擴展的每一個時間步，可使用網格自適應模塊
Homard調整生成如圖
7的加密網格。
圖7：使用Homard模塊調整生成的網格
基于
Griffith理論法對三個模型進行模擬，得到三個模型中的裂紋擴展的結果如圖
8所示。
展開 算例丨基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
裂紋在開始擴展以后，首先向深度方面延伸，然后裂紋擴展方向發生明顯改變，如圖10所示，裂紋出現偏斜，角度約為45?，向橫梁另一面擴展。如圖11所示為裂紋狀態圖（PHILSM），表示裂紋面上，距離裂縫的等高線（值有正有負）。如12表示保持架橫梁裂紋的statuxfem開裂狀態，當=1時（紅色），表示完全開裂；當=0時（深藍色），標識完全不開裂；當0~1之間時，不同開裂程度。
圖9 裂紋位置與擴展趨勢分析
圖10 裂紋擴展區域局部放大圖
圖11 裂縫狀態
圖12 裂紋statuxfem圖示
四、結論
滾子軸承常用于齒輪箱等旋轉機械中，其保持架橫梁受滾動體沖擊載荷的影響，容易在橫梁末端產生裂紋，并擴展導致保持架失效。通過建立簡化保持架橫梁3D模型，仿真分析了保持架橫梁末端裂紋的擴展趨勢。結果顯示，裂紋在深度方向擴展一定距離后，其擴展方向發生45?偏轉，并繼續擴大。分析結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
文章來源：CAE仿真學社
展開 基于擴展有限元（XFEM）模型的裂紋擴展斷裂分析（原創案例賞析，如轉載，請注明出處）
分析類型：基于擴展有限元（XFEM）模型的裂紋擴展現象模擬
分析平臺：ANSYS17
技術難點：斷裂模型建模
關鍵詞：斷裂力學 擴展有限元 裂紋擴展
完成人：技術鄰ANSYS專家
業務咨詢網址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
技術背景：金屬的斷裂損傷
工程意義：金屬損傷
研究對象：帶孔板
初始裂紋位置1的裂紋擴展
初始裂紋位置2的裂紋擴展
