利用ANSYS進行三維貫穿裂紋的斷裂參數計算【轉載】

2016-11-16 by:CAE仿真在線來源:互聯網

據一些工業化國家統計,因材料和結構的破壞所造成的損失占國民經濟生產總值的8%-12%多。破壞事故所造成的人員傷亡的損失更不可估量。我國作為一個發展中國家,在這方面的情況比西方發達國家更嚴重。因此無論是為了減少破壞事故的損失還是研發滿足現代工業所需要的新材料,都要求對材料的破斷過程有科學的、全面的、定量化的認識。

三維裂紋作為工程中常見的裂紋形式,早在六十年代初就有不少研究者開始研究,到現在已有大量的文獻資料論及這一問題,出現了一些有特點的分析方法。工程上常見的表面裂紋的斷裂分析,由于其實質是三維問題,也幾乎同時開始被人們所關注。三維裂紋問題的危害極大,斷裂造成了大量的災難性事故發生,這使得斷裂力學在機械工程、海洋工程、核工程,特別是今天的航空航天工程中受到更廣泛的重視和深入研究。

因此對含三維裂紋結構斷裂特性尤其對三維裂紋體的應力強度因子的研究有重要的現實意義。本文使用ANSYS成功的計算了三維貫穿裂紋的應力強度因子,為計算三維裂紋提供了一種便捷方式。

1.模型的建立

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圖1 三維貫穿裂紋模型

本文三維裂紋模型長度為L,高度為H,寬度為W,裂紋半長為a,裂紋位于模型的中心部位。幾何參數見表1。模型的為線彈性材料,其彈性模量為2.1E11Pa,泊松比為0.3。模型的邊界條件為:底端固定,頂端承受拉應力σ為2E6Pa。

表1 模型的幾何參數

本文采用二維奇異單元PLANE183建立二維的裂紋模型,然后通過拉伸并使用三維奇異單元SOLID186來建立三維貫穿裂紋模型。圖2-圖5給出了二維裂紋模型和三維裂紋模型。

在13.0中對應力強度因子的計算增加了一種計算方法即互動積分法(Interaction Integrals ),這種方法與計算J積分的主域積分法類似。在二維問題進行面積分,在三維問題中進行體積分來獲得應力強度因子。這種方法與傳統的位移擴展法相比精度高, 需要的單元數少。

圖2 二維裂紋模型圖3 二維裂紋模型裂紋尖端網格

圖4 三維貫穿裂紋有限元模型圖5 三維貫穿裂紋局部圖

2.結果與討論

圖6到圖7給出了三維貫穿裂紋的應力等效云圖,通過圖7可知,SOLID186單元可以很好的模擬出裂紋尖端的應力場。

對于應力強度因子,本文計算圖5中的三個位置即位置1(0.159,0.25 ,0.00),位置2(0.159,0.25 ,0.04)和位置3(0.159,0.25 ,0.1),并取8條積分線,計算結果列于表2中,通過表2可知,位置1和位置3的各條應力強度因子積分都相同,而位置2只有后三條的應力強度因子積分值與位置1和位置3相同。出現這種差異的原因,圖8給出了解釋,主要是2位置的等效應力與位置1和位置3存在差異,最終造成斷裂參數的計算差異。這也說明了對于該模型,不能采用對稱的計算。由表2還可以推出,位置2的I型應力強度因子要大于位置1和位置3,當外載開始增加是,裂紋將從模型的內部開始擴展,這對于實際工程有這指導意義。