ansys裂紋模擬的案例
基于ANSYS裂紋擴(kuò)展模擬和生命周期預(yù)測(cè)計(jì)算實(shí)例（原創(chuàng)，如轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處）
分析類型：斷裂力學(xué)
技術(shù)難點(diǎn)：斷裂 裂紋擴(kuò)展 生命周期預(yù)測(cè)
完成人：技術(shù)鄰ANSYS專家
網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/content/other/402981
模擬過(guò)程：
裂紋擴(kuò)展模擬和生命周期預(yù)測(cè)
ABAQUS裂紋尖端應(yīng)變、裂紋擴(kuò)展模擬及問(wèn)題
前幾天有人問(wèn)我ABAQUS做焊點(diǎn)分析，我一看他給我的一片文獻(xiàn)，其實(shí)是用ABAQUS做裂紋擴(kuò)展分析。之前也沒接觸過(guò)裂紋分析，于是照貓畫虎做了個(gè)算例，但是裂紋沒有擴(kuò)展。
ABAQUS做裂紋有三種方法：contour integral，擴(kuò)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(gè)預(yù)制裂紋，是采用Interaction模塊的assign seam設(shè)定的，裂紋的擴(kuò)展面及方向是通過(guò)crack來(lái)設(shè)定的，類型為contour integral。材料模型定義了塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，彈性參數(shù)、GTN參數(shù)、脆性失效參數(shù)等。模型上的兩個(gè)孔，一個(gè)固支、一個(gè)勻速拉。預(yù)期當(dāng)裂紋尖端的單元變形達(dá)到某一個(gè)值時(shí)將刪除單元。
您看見了就給個(gè)意見唄。
步驟：
建立模型，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膒artition
定義材料：分別定義了elastic彈性參數(shù)、plastic真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、GTN模型參數(shù)、脆性失效參數(shù)（包括一個(gè)叫演化參數(shù)）。
定義預(yù)制裂紋、定義裂紋擴(kuò)展面、方向，定義失效單元的generation。
邊界條件，提交job，查看結(jié)果。
結(jié)果：預(yù)期模型在塑性變形不是很大時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，但是模型產(chǎn)生了很大塑性變形后仍然沒有發(fā)生失效。
Mises應(yīng)力場(chǎng)：
x方向正應(yīng)力場(chǎng)
x方向真實(shí)應(yīng)變場(chǎng)
x方向塑性應(yīng)變場(chǎng)
裂紋尖端應(yīng)變的結(jié)果還是挺漂亮的，雖然正確性有待考證，如果裂紋出來(lái)了就完美了，可惜裂紋沒出來(lái)。
展開 Ansys Workbench建立半橢圓裂紋和隨機(jī)裂紋 ￥2
基本模型如下，在綠色表面分別建立半橢圓裂紋(Semi-Elliptical Crack)和隨機(jī)裂紋(Arbitrary Crack)進(jìn)行計(jì)算：
一、半橢圓裂紋(Semi-Elliptical Crack)
1、建立局部坐標(biāo)系如下圖，注意x軸指向裂紋深度方向，z軸指向裂紋長(zhǎng)度方向：
2、添加半橢圓裂紋
選中Model單擊工具欄Fracture即可添加裂紋功能如下圖：
右擊Fracture->Insert->選擇Semi-Elliptical Crack添加半橢圓裂紋如下圖：
3、半橢圓裂紋參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明
4、網(wǎng)格設(shè)置及劃分
單元階數(shù)設(shè)置為二階如下圖：
單元形狀設(shè)置為四面體如下圖：
右擊選擇Generate All Crack Meshes生成網(wǎng)格如下圖：
5、加載
底面施加固定約束，頂面施加拉力10000N如下圖：
6、查看計(jì)算結(jié)果
除查看變形、應(yīng)力等結(jié)果外，可以添加Fracture Tool查看裂紋尖端強(qiáng)度因子如下圖：
Fracture Tool選擇Semi-Elliptical Crack如下圖：
應(yīng)力強(qiáng)度因子結(jié)果如下圖：
二、隨機(jī)裂紋(Arbitrary Crack)
1、建立裂紋體如下圖中Surface Body：
2、建立局部坐標(biāo)系如下圖，注意x軸指向裂紋深度方向，z軸指向裂紋長(zhǎng)度方向：
3、添加隨機(jī)裂紋
隨機(jī)裂紋的形狀不固定，這里做成了長(zhǎng)方形。
展開 經(jīng)典案例模擬1-巖石在溫度梯度下的裂紋擴(kuò)展模擬（結(jié)果展示）
本人長(zhǎng)期從事ABAQUS軟件仿真模擬，擅長(zhǎng)平板焊接（高斯面熱源、高斯體熱源、雙橢球熱源、圓臺(tái)柱熱源等），基于子程序的摩擦攪拌焊接，壓力電阻焊接，子程序二次開發(fā)（UEXPAN、USDFLD、UHARD、FILM、DISP、DFLUX、CREEP等），基于子程序的相變模擬，裂縫模擬（應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分等），裂紋擴(kuò)展（XFEM擴(kuò)展有限元、cohesive element、cohesive surface、debond），水化熱（基于子程序uexpan、heatval、usdfld等），復(fù)合材料固化（基于子程序uexpan、heatval、usdfld等)，粉末燒結(jié)模擬（基于子程序），蠕變，彈塑性變形模擬，常規(guī)熱力耦合等。
本人只研究ABAQUS一個(gè)軟件，因此對(duì)軟件認(rèn)識(shí)比較深入，對(duì)于ABAQUS軟件數(shù)值模擬非常有經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)完成有2000+的模擬案例。
如若有技術(shù)支持需要，可聯(lián)系我QQ 284589695。技術(shù)服務(wù)會(huì)適當(dāng)收費(fèi)，希望理解。
展開 
經(jīng)典模擬案例4-道路在移動(dòng)載荷下的裂紋擴(kuò)展模擬（結(jié)果展示）
本人長(zhǎng)期從事ABAQUS軟件仿真模擬，擅長(zhǎng)平板焊接（高斯面熱源、高斯體熱源、雙橢球熱源、圓臺(tái)柱熱源等），基于子程序的摩擦攪拌焊接，壓力電阻焊接，子程序二次開發(fā)（UEXPAN、USDFLD、UHARD、FILM、DISP、DFLUX、CREEP等），基于子程序的相變模擬，裂縫模擬（應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分等），裂紋擴(kuò)展（XFEM擴(kuò)展有限元、cohesive element、cohesive surface、debond），水化熱（基于子程序uexpan、heatval、usdfld等），復(fù)合材料固化（基于子程序uexpan、heatval、usdfld等)，粉末燒結(jié)模擬（基于子程序），蠕變，彈塑性變形模擬，常規(guī)熱力耦合等。
本人只研究ABAQUS一個(gè)軟件，因此對(duì)軟件認(rèn)識(shí)比較深入，對(duì)于ABAQUS軟件數(shù)值模擬非常有經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)完成有2000+的模擬案例。
如若有技術(shù)支持需要，可聯(lián)系我QQ 284589695。
展開 ABAQUS二維裂紋擴(kuò)展模擬詳解
ABAQUS裂紋體的建立
在ABAQUS中，根據(jù)裂紋尖端的形狀可以建立兩種類型的裂紋體：尖銳（Sharp）型裂紋和鈍形（Blunt）裂紋，如圖1所示。對(duì)于尖銳型裂紋，裂紋尖端存在奇異性；而鈍形裂紋尖端可以看做是一個(gè)具有給定缺口半徑的缺口，因此裂紋尖端不存在奇異性，可以按照常規(guī)有限元的建模方式來(lái)建立。在ABAQUS中，兩種類型的裂紋均可以進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子分析。
圖1 尖銳型裂紋和鈍形裂紋
對(duì)于兩種類型的裂紋，由于裂紋尖端均存在應(yīng)力集中，在裂紋尖端將產(chǎn)生非常高的應(yīng)力梯度，因此劃分裂紋體時(shí)通常需要對(duì)裂紋尖端的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化以獲得精確的應(yīng)力值。需要注意的是，對(duì)于尖銳型裂紋，由于裂紋尖端存在奇異性，因此細(xì)化裂紋尖端的網(wǎng)格并不能使得裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變值收斂，減小網(wǎng)格尺寸只會(huì)使得裂紋尖端的應(yīng)力值增大；而對(duì)于鈍形裂紋，由于裂紋尖端存在鈍形缺口，因此細(xì)化裂紋尖端的網(wǎng)格將最終得到收斂的缺口應(yīng)力值。
在采用兩種類型的裂紋體計(jì)算J積分時(shí)，由于J積分的實(shí)質(zhì)是能量釋放率，因此在進(jìn)行線彈性有限元分析時(shí)，采用非常粗糙的網(wǎng)格也能夠獲得精確的J積分值，即使在這種情況下裂紋尖端的局部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)并不是十分精確。而在進(jìn)行彈塑性斷裂力學(xué)分析時(shí)，通常需要細(xì)化裂紋尖端區(qū)域來(lái)獲得精確的J積分值。
本文僅考慮尖銳型裂紋的建立，在ABAQUS中尖銳型裂紋通常也被稱為seam裂紋，seam裂紋可以看做是部分或完全插入到模型中的代表裂紋的一條邊線，如圖2所示。seam裂紋通常由單元邊線構(gòu)成，在這些單元邊線上的節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)復(fù)制節(jié)點(diǎn)，位于這些單元邊線上的單元不會(huì)共享節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了裂紋面的分離。
圖2 seam裂紋
如圖2中所示，通常裂紋尖端會(huì)采用一圈三角形單元進(jìn)行劃分，在三角形單元的外圍通常還會(huì)圍繞多層四邊形單元進(jìn)行過(guò)渡。
展開 裂紋模擬心得。。
但是斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)兩者的結(jié)合問(wèn)題卻一直沒有得到很好的解決，究其原因在于斷裂力學(xué)存在裂紋尖端的應(yīng)力奇異現(xiàn)象，而用損傷力學(xué)的方法研究裂紋尖端的時(shí)候，會(huì)使得裂紋尖端既要保持應(yīng)力奇異又要保持材料的弱化，這樣的耦合問(wèn)題很難得到合理且唯一的解(這一部分可以參考余壽文老師和馮西橋老師的那本損傷力學(xué))。但是有限元方式使得這種耦合機(jī)制得到改善，其實(shí)Xfem本身就是這兩種力學(xué)機(jī)制相耦合的產(chǎn)物，xfem中可以預(yù)置crack來(lái)模擬裂紋尖端的應(yīng)力奇異，使用材料弱化定義方法實(shí)現(xiàn)損傷機(jī)理，所以說(shuō)xfem具有劃時(shí)代意義也不為過(guò)。
損傷力學(xué)可以實(shí)現(xiàn)裂紋發(fā)展，但是從機(jī)理上存在問(wèn)題，第一點(diǎn)損傷代具有寬度，而斷裂帶沒有。第二點(diǎn)損傷存在網(wǎng)格敏感問(wèn)題，網(wǎng)格越細(xì)，損傷帶越小，與實(shí)際不符。第三點(diǎn)，雖然可以利用非局部化模型消除網(wǎng)格敏感，但極其復(fù)雜，一般很少采用。第四點(diǎn)，損傷無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)裂紋尖端的應(yīng)力奇異效應(yīng)。
展開 多裂紋的傳播模擬
這是用abaqus/standard做的一個(gè)多裂紋的傳播練習(xí)，希望對(duì)涉及到裂紋研究的朋友有點(diǎn)啟發(fā)。
一下是inp文件和動(dòng)畫
crack2-xfem.rar
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裂紋擴(kuò)展規(guī)律數(shù)值模擬研究
牟園偉等[10] 通過(guò)ANSYS 分析了外物損傷葉片的初始裂紋形態(tài)對(duì)疲勞壽命的影響。馬利麗[11] 通過(guò)MSC/ PATRAN 有限元分析軟件對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)試車過(guò)程中發(fā)生裂紋故障的渦輪葉片進(jìn)行了振動(dòng)研究。李洪松等[12] 對(duì)某型燃?xì)鈾C(jī)的壓氣機(jī)葉片進(jìn)行了有限元模態(tài)分析,結(jié)合坎貝爾圖得出二階和四階的復(fù)合振動(dòng)是造成葉片斷裂的主要原因。
Franc3D 裂紋分析軟件主要計(jì)算三維裂紋的裂紋擴(kuò)展與
疲勞壽命,國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用該軟件進(jìn)行了很多裂紋擴(kuò)展分析工作,證明其是裂紋擴(kuò)展和壽命預(yù)測(cè)的可靠手段。Liao等[13] 基于ABAQUS 聯(lián)合Franc3D 提出了一種用于航空航天領(lǐng)域的鋁鋰合金修復(fù)結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命估算方法。Mangardich等[14] 基于Franc3D 對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。Wang 等[15] 利用ABAQUS 和Franc3D 研究了GH4169 高溫合金在滑動(dòng)疲勞磨損條件下的裂紋擴(kuò)展特性。李巖等[16] 基于Franc3D 探討了渦輪盤裂紋關(guān)鍵位置選擇、初始裂紋尺寸及形狀的確定和選擇問(wèn)題。路衛(wèi)兵等[17] 使用Fracnc3D 針對(duì)大模數(shù)表面淬火齒條的裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究。熊勛等[18]采用Franc3d 和ABAQUS 聯(lián)合仿真的方法,對(duì)帶初始預(yù)制裂紋的Q235 鋼CT 試樣進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展及壽命預(yù)測(cè)和分析。謝芳等[19] 利用ANSYS 及Franc3D 對(duì)球形壓力容器軸向橢圓埋藏裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了分析。
在葉片裂紋擴(kuò)展理論和數(shù)值分析方面,當(dāng)前研究多局限
于表面裂紋和穿透裂紋,但是實(shí)際中的葉片多以三維裂紋形式存在,對(duì)于其裂紋前緣形貌、裂紋擴(kuò)展路徑、裂紋擴(kuò)展壽命的建模、數(shù)值模擬、理論分析都十分復(fù)雜。
展開 lsdyna模擬爆破裂紋發(fā)展 ￥1
考慮對(duì)稱性，案例采用1/4圓進(jìn)行模擬，單層單元。建模命令流如附件。
1_5.txt
采用拉格朗日流固耦合算法，建模命令流中裝藥不耦合系數(shù)1.5，空氣單獨(dú)建模。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，未考慮空氣受熱膨脹對(duì)裂隙尖端產(chǎn)生的拉力，希望有相同研究興趣的可以一塊交流一下。
采用ALE算法（設(shè)置空單元）還是拉格朗日算法（流固耦合）取決于*SECTION_SOLID_ALE關(guān)鍵字中ELFORM的設(shè)置（11or12），設(shè)置11為流固耦合，需要控制*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP關(guān)鍵字，設(shè)置12為空單元，需要控制*INITIAL_VOID_PART和*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字。
裂隙的產(chǎn)生擴(kuò)展通過(guò)添加*MAT_ADD_EROSION控制材料失效標(biāo)準(zhǔn)。本案例設(shè)置的是mnpres失效，即拉應(yīng)力失效，具體數(shù)值根據(jù)材料動(dòng)載破壞強(qiáng)度和期望效果調(diào)整。
Uncoupling_1_25.k
展開 ABAQUS對(duì)裂紋模擬的探討
大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,解理斷裂起裂點(diǎn)距裂尖的距離是隨機(jī)分布的,并不存在一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的固定位置和特征距離,為了深入探討解理斷裂的內(nèi)在機(jī)理,我們采用有限元分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有限元模擬來(lái)驗(yàn)證解理斷裂綜合三判據(jù)。
但在模擬過(guò)程中遇到了大量問(wèn)題,下述主要討論模擬裂紋開裂時(shí)其前處理過(guò)程中模型建立的要點(diǎn)及后處理過(guò)程中斷裂判據(jù)的運(yùn)用方法,在計(jì)算中如果網(wǎng)格變形過(guò)大,計(jì)算結(jié)果將失真或無(wú)法收斂,這時(shí)就需要進(jìn)行網(wǎng)格重組。
裂紋模擬斷裂仿真軟件
主要目標(biāo)就是為用戶提供一個(gè)對(duì)含缺陷構(gòu)件方便準(zhǔn)確進(jìn)行模擬計(jì)算的平臺(tái)，以評(píng)估含裂紋等缺陷金屬構(gòu)件的安全性與可靠性。ALOF的分析精度已為大量的實(shí)驗(yàn)和學(xué)術(shù)論文所證明。
ALOF的主要功能和特色為：
⑴ 方便快捷地模擬含裂紋或缺陷體的失效破壞過(guò)程，評(píng)估裂紋構(gòu)件的安全與可靠性。建立分析模型時(shí)可不預(yù)設(shè)裂紋形狀，裂紋擴(kuò)展過(guò)程更無(wú)需人工干預(yù)；為提高分析精度，用戶可在裂紋附近進(jìn)行高效的分層加密。
⑵ ALOF擁有友好的用戶交互界面，用戶可以在交互界面上建立CAE網(wǎng)格模型、定義材料和荷載以及選擇多種裂紋求解算法。ALOF可以根據(jù)分析結(jié)果生成失效或破壞過(guò)程的動(dòng)畫，提供用戶所需要的失效分析報(bào)告。
下面是采用該軟件對(duì)一個(gè)門式起重機(jī)主梁的角焊縫裂紋安全評(píng)估與檢修周期制定。
1、背景介紹及模型簡(jiǎn)化ALOF實(shí)現(xiàn)
門式起重機(jī)主梁的角焊縫是最容易出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的區(qū)域之一，我們以此部位為例介紹ALOF確定漏檢設(shè)備檢修周期的過(guò)程。
圖1.門式起重機(jī)示意圖
圖2.門式起重機(jī)主梁參數(shù)化建模對(duì)話框與參數(shù)化模型
通過(guò)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)儀器探測(cè)和主梁模型的有限元分析，發(fā)現(xiàn)在某角焊縫處存在最大拉應(yīng)力σm=150MPa，該部位受力如下圖3所示
圖3角焊縫模型
該角焊縫處存在一漏檢表面裂紋，以探測(cè)設(shè)備的漏檢長(zhǎng)度作為裂紋初始長(zhǎng)度，裂紋長(zhǎng)度a =2mm，如下圖4所示。對(duì)該角焊接局部區(qū)域建立有限元模型，并定義初始裂紋，進(jìn)行檢修周期的計(jì)算，有限元模型如圖所示。
展開 基于VCCT的裂紋擴(kuò)展模擬
http://www.docin.com/p-437977520.html
DEFORM 3D裂紋失效模擬 ￥9.99
裂紋失效是材料加工中非常常見的缺陷之一，DEFORM提供了多個(gè)斷裂準(zhǔn)則來(lái)模擬斷裂過(guò)程。
在deform中斷裂模型有兩種處理方式，單元?jiǎng)h除（Element Deletion）和連續(xù)損傷軟化（Continuum Damage Softening）
要想通過(guò)DEFORM 3D來(lái)實(shí)現(xiàn)裂紋失效模擬，需進(jìn)行以下設(shè)置。
ABAQUS利用Cohesive單元模擬多晶材料沿晶裂紋
沿晶斷裂是指金屬材料中的裂紋沿晶界擴(kuò)展而產(chǎn)生的一種斷裂。當(dāng)沿晶斷裂斷口形貌呈粒狀時(shí)又稱晶間顆粒斷裂。多數(shù)情況下沿晶斷裂屬于脆性斷裂，但也可能出現(xiàn)韌性斷裂，如高溫蠕變斷裂。當(dāng)金屬或合金沿晶界析出連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀脆性相時(shí)，在外力的作用下，這些網(wǎng)狀脆性相將直接承受載荷，很易于破碎形成裂紋并使裂紋沿晶界擴(kuò)展，造成試樣沿晶界斷裂，它是完全脆性的正斷。
在ABAQUS中可以利用Cohesive單元實(shí)現(xiàn)多晶體沿晶開裂，首先在ABAQUS中建立多晶體模型，然后在晶界插入cohesive單元，賦予cohesive單元損傷演化材料屬性，即可實(shí)現(xiàn)沿晶開裂。
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