ansys的断裂参数的计算

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1、ANSYS的断裂参数的计算　　1引言　　断裂事故在重型机械中是比较常见的。一方面，由于传统的设计是以完整构件的静强度和疲劳强度为依据，并给以较大的安全系数，但是含裂纹在役设备还是常有断裂事故发生。另一方面，对于一些关键设备，缺乏对不完整构件剩余强度的估算，让其提前退役，从而造成了不必要的浪费。因此，有必要对含裂纹构件的断裂参量进行评定，如应力强度因了和J积分。确定应力强度因了的方法较多，典型的有解析法、边界配位法、有限单元法等。对于工程上常见的受复杂载荷并包含不规则裂纹的构件，数值模拟分析是解决这些复杂问题的最有效方法。本文以某一锻件中取出的一维断裂试样为计算模型，介绍了利

2、用有限元软件ANSYS计算应力强度因子。　　2断裂参量数值模拟的理论基础　　对于线弹性材料裂纹尖端的应力场和应变场可以表述为：　　(1)　　其中K是应力强度因子，r和θ是极坐标参量，可参见图1，(1)式可以应用到三个断裂模型的任意一种。　　　　图1裂纹尖端的极坐标系　　(2)　　应力强度因子和能量释放率的关系：　　G=K/E"(3)　　其中：G为能量释放率。　　平面应变：E"=E/(1-v2)　　平面应力：E=E"　　3求解断裂力学问题　　断裂分析包括应力分析和计算断裂力学的参数。应力分析是标准的ANSYS线弹性或非线性弹性问题分析。因为在裂纹尖端存在高的应力梯度，所以包含

3、裂纹的有限元模型要特别注意存在裂纹的区域。如图2所示，图中给出了二维和三维裂纹的术语和表示方法。　　　　图2二维和三维裂纹的结构示意图　　3.1裂纹尖端区域的建模　　裂纹尖端的应力和变形场通常具有很高的梯度值。场值得精确度取决于材料，几何和其他因素。为了捕获到迅速变化的应力和变形场，在裂纹尖端区域需要网格细化。对于线弹性问题，裂纹尖端附近的位移场与成正比，其中r是到裂纹尖端的距离。在裂纹尖端应力和应变是奇异的，并且随1/变化而变化。为了产生裂纹尖端应力和应变的奇异性，裂纹尖端的划分网格应该具有以下特征：　　·裂纹面一定要是一致的。　　·围绕裂纹尖端或裂纹前缘的单元一定是二次

4、单元，并且他的中间节点在四分之一边处。这样的单元也称作为奇异单元。　　　　图3计算裂纹的常用单元　　如图所示，即为满足要求的奇异单元。　　3.2如何建立二维线弹性断裂模型　　对于二维断裂问题，推荐使用PLANE183，他是一个8结点二次实体单元。围绕裂纹尖端第一行单元一定要是奇异的。具体解释参见图3，利用前处理命令KSCON(MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ConcentratKPs>Create)，这个命令会给围绕关键点划分单元，这个命令特别适用分析断裂力学问题。它可以在裂纹尖端自动产生奇异单元。并且可以利用命令可以控制围

5、绕裂纹尖端第一排单元的半径，和圆周方向上单元的数量。　　　　图4二维断裂问题的模型示例　　图4给出了利用KSCON.产生的裂纹尖端奇异单元范例。要尽量的利用模型的对称性。为了得到较好的结果，围绕裂纹尖端的第一行单元的半径至少是裂纹半长的1/8。在圆周方向，推荐每隔30或44度放置一个等腰三角形。　　3.3计算应力强度因子　　利用后处理中KCALC命令计算混合型应力强度因子KⅠ，KⅡ和KⅢ。(MainMenu>GeneralPostproc>NodalCalcs>StressIntFactr)。这个命令只能用于计算线弹性均匀各向同性材料的裂纹区域。为了使用KCALC必须按照以

6、下步骤：　　1、定义裂纹尖端或裂纹前缘局部坐标系　　X轴一定要平行于裂纹面。(3D中垂直于裂纹前缘)并且y轴垂直于裂纹面。图2给出了示意。注意--当使用KCALC命令时，坐标系必须是激活的模型坐标系[CSYS]和结果坐标系[RSYS]。　　UtilityMenu>WorkPlane>LocalCoordinateSystems>CreateLocalCS>AtSpecifiedLoc　　2、定义沿着裂纹面的路径　　定义沿裂纹面的路径，应以裂纹尖端作为路径的第一点。对于半个裂纹模型而言，沿裂纹面需有两个附加点，这两个点都沿裂缝面;对于整体裂纹模型，则应包括两个裂纹面，共需四个

7、附加点，两个点沿一个裂纹面，其他两个点沿另一个裂纹面。　　命令：PATH，PPATH　　GUI：MainMenu>GeneralPostproc>PathOperations>DefinePath　　3、计算应力强度因子　　KCALC命令中的KPLAN域用于指定模型是平面应变或平面应力。除了薄板的分析，在裂纹尖端附近或其渐近位置，其应力一般是考虑为平面应变。KCSYM域用来指定半裂纹模型是否具有对称边界条件、反对称边界条件或是整体裂纹模型。　　4计算实例　　本文采用平板作为计算实例，材料为线弹性，板的厚度为0.00