在ANSYS中計算裂縫應力強度因子的技巧

2021-08-01 02:25:19 字數 3680 閱讀 4693

裂縫應力強度因子用ansys中怎麼求呀。另外,建模時,裂紋應該怎麼處理呀,難道只有畫出一條線嗎?

首先說一下裂紋怎麼畫,其實裂紋很簡單啊。只要畫出裂紋的上下表面(線)就可以了,即使是兩個面(線)重合也一定要是兩個面(線);如果考慮道對稱模型就更好辦了,裂紋尖點左面用乙個面(線),右邊用另外乙個面(線),加上對稱邊界約束。

再說一下裂尖點附近網格的劃分。ansys提供了乙個kscon的命令,主要是使得crack tip的第一層單元變成奇異單元,用來模擬斷裂奇異性(singularity)。當然這個步驟不是必須的,有的人說起用ansys算強度因子的時候就一定要用奇異單元,其實是誤區(原因下面解釋)

好了,回到強度因子的計算。其實只要學過一些斷裂力學都知道,k的求法很多。就拿mode i的ki來說吧,ansys自己提供了乙個辦法(displacement extrapolation) ,中文可能翻譯作「位移外推」法,其實就是根據解析解的位移公式來對計算資料進行fitting的。

分3步走,如果你已經算完了:

第一步,先定義乙個crack-tip的區域性座標系,這是ansys幫助檔案中說的,其實如果你的裂紋尖端就是整體座標原點的話,而且你的x-axis就順著裂紋,就沒有什麼必要了。

第二步,定義乙個始於crack-tip的path,什麼什麼?path怎麼定義??看看幫助吧,在索引裡面查詢fracture mechanics,找到怎麼計算斷裂強度因子。

(my god,我這3步全是在copy幫助中的東東啊)。

第三步,nodal calcs>stress int factr ,別忘了,這是在後處理postproc中啊。

辦法是好,可是對於裂紋尖端的單元網格依賴性很大,所以用kscon製造尖端奇異單元很重要。curtain的經驗是path路徑取的越靠近cracktip得到的強度因子就越大,所以單元最好是越fine越好啊。

其實似乎也未必非要是這個樣子,因為你完全可以不用ansys自帶的這個」位移外推法「,你完全可以根據ansys算出來的位移和應力來自己算一下或者說外推一下,假設你知道應力或者位移在裂紋尖端的分布是什麼,比如一型斷裂的ki~~sy*sqrt(2*pi*r),這裡sy是y方向的應力,因此如果畫ki~sy*sqrt(2*pi*r)的線圖時,在r比較小的地方,基本上會是乙個直線。為什麼僅僅在這裡是直線呢,因為出了這個區的話,就出了奇異主導區(singularity dominant zone),應力會受到遠場的影響了。好了,就用這個近似直線區,把他擬合成乙個直線方程,那麼這條直線與ki軸的交點就是r~0時的ki值了,great!

正是我們所要的東西。

這裡。這些描述起來似乎很難,不過你自己看看公式就知道怎麼去推了。這樣做的好處是什麼呢?

就是我門可以不用討厭的kscon功能了,那麼裂紋尖端的那層單元不一定非要式奇異單元了,只要做到足夠的fine就可以了。而且通過自己去外推擬合一下,你可以更加深入的了解一下ansys和斷裂力學的"內幕",其實沒什麼神秘的啊。

當然,還有別的辦法求應力強度因子,同樣也不用在裂紋尖端搞「奇異性」。在斷裂力學中有兩種表徵斷裂韌度的辦法,乙個是應力法(對應於強度因子k),另外乙個是能量法,對應於能量釋放率g, 當然ansys不能夠求g,但是別忘記了 j 積分,它其實也是乙個能量法則啊,j積分和k之間有著很簡單的數學聯絡,隨便查查書都有公式。好的ansys可以求j-integral,辦法和前面的那3步走差不多,這裡就不copy幫助中的東西了。

總之,求k的辦法很多。但是curtain在這裡想提個忠告,那就是在用ansys算斷裂問題之前,首先要問一下自己到底有沒有讀一本斷裂力學的書,做一做習題。因為ansys本身提供的求解斷裂問題的手段有限,比如對動態斷裂,對裂紋擴充套件,以及塑性斷裂都沒有提供計算辦法,所以肯定需要自己去編公式程式設計序(尤其可以其apdl語言)。

先寫道這裡,不當之處,還請多多指教!

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應力強度因子是屬於線彈性階段內的,它適用於脆性材料(如玻璃、陶瓷、岩石和冰)的斷裂和高強度鋼之類的脆性斷裂,此時的裂紋裂紋尖端無塑性變形或無明顯的塑性變形,甚本屬於彈性應力的情況。但對於多數金屬材料而言,裂紋在擴充套件前,在裂紋端部將有乙個塑性區,當此塑性區尺寸很小,即遠小於裂紋尺寸時,此類斷裂稱為小範圍屈服斷裂,用考慮小範圍屈服的塑性修正斷裂準則來討論其斷裂問題,線彈性斷裂力學仍有足夠的精度,居於線彈性斷裂力學納範疇。這種情況可用應力強度因子k進行擴充套件判據或考慮小範圍屈服修正的斷裂判據來討論其脆斷問題。

但在工程中還經常遇到另一類斷裂問題,即所謂大範圍屈服斷裂與全面屈服斷裂問題。例如由中、低強度鋼製成的構件,由於其韌度較高(除了低溫、厚截面或高應變速率情況外),裂紋在擴充套件前,其端部的塑性區尺寸已接近甚至超過裂紋尺寸,這類斷裂即屬於大範圍屈服斷裂問題。另外如壓力容器上的接管部位,由於存在很高的區域性應力與焊接殘餘應力。

致使這一地區的材料處於全面屈服狀態,在這種高應變的塑性區中,較小的裂紋也可能擴充套件而引起斷裂,這類問題屬於全面屈服斷裂問題。大範圍屈服斷裂與全面屈服斷裂均屬於彈塑性斷裂力學範疇,解決彈塑性斷裂問題是彈理性斷裂力學的任務。。

在ansys中可以實現j積分的求解,它是通過定義單元應變能及在積分路徑上應力應變位移迴路圍線上積分形成求解的。

從網上找到了j積分求解的命令流:請大家討論:

!j積分

*create,jin1

stinfc

***p,w,sene,volu,1,-1

path,jint,4,50,48

ppath,1,arg1

ppath,2,arg2

ppath,3,arg3

ppath,4,arg4

pdef,w,etab,w

pcalc,intg,j,w,yg

*get,ja,path,,last,j

pdef,clear

pvect,norm,nx,ny,nz

pdef,intr,sx,sx

pdef,intr,sy,sy

pdef,intr,sxy,sxy

pcalc,mult,tx,sx,nx

pcalc,mult,c1,sxy,ny

pcalc,add,tx,tx,c1

pcalc,mult,ty,sxy,nx

pcalc,mult,c1,sy,ny

pcalc,add,ty,ty,c1

*get,dx,path,,last,s

dx=dx/100

pcalc,add,xg,xg,,,,-dx/2

pdef,intr,ux1,ux

pdef,intr,uy1,uy

pcalc,add,xg,xg,,,,dx

pdef,intr,ux2,ux

pdef,intr,uy2,uy

pcalc,add,xg,xg,,,,-dx/2

c=(1/dx)

pcalc,add,c1,ux2,ux1,c,-c

pcalc,add,c2,uy2,uy1,c,-c

pcalc,mult,c1,tx,c1

pcalc,mult,c2,ty,c2

pcalc,add,c1,c1,c2

pcalc,intg,j,c1,s

*get,jb,path,,last,j

jint=2*(ja-j

pdef,clear

*end

上述命令中的倒數第三句應為:

jint=2*(ja-j)

在j積分路徑選擇時,盡量避開應力奇異區域,也就是說路徑選擇在離裂尖稍遠的區域 ,積分與路徑無關那時斷裂力學上寫的 。

但是方向不一定就是下表面到上表面,而與你裂紋

的開口方向有關,只要保證沿幾分路徑,裂紋區域在

路徑的左面。

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