基于ansys的断裂参数的计算

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1、基于ANSYS的断裂参数的计算］引言断裂璋故在重型机械中是比较常见的，我国每年因断裂造成的损失十分巨大。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述是常有断裂事故发生。另一方而，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，典型的冇解析法、边界配位法、冇限单元法等。对于工程上常见的受复朵载荷并包含不规则裂纹的构件，数值模

2、拟分析是解决这些复杂问题的最冇效方法。本文以某一锻件屮取出的一维断裂试样为计算模型，介绍了利用有限元软件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口J以表述为：其屮K是应力强度因子，r和()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%=-7=cos(-)[l_sm(-)sm(—)]J2册222K、0030=-7T=cos(k)[l+Sin(-)sin(—)]J2加222。厂叫)3S(g)应力强度因子和能量释放率的关

3、系:G二K/E〃其屮：G为能量释放率。平面应变：Ez，=E/(l-v2)平而应力：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。cracktoot(a)2-Dmodelsand(b)3-Dmodels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

4、确度取决于材料，几何和其他因索。为了捕获到迅速变化的应力和变形场，在裂纹尖端区域需耍网格细化。对于线弹性问题，裂纹尖端附近的位移场与成止比，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单元，并且他的中间节点在四分Z—边处。这样的单元也称作为奇异单元。PLAME1M(a)2-Dmodelsand(b)3-Dmodels图3计算裂纹的常用单元如图所示

5、，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。围绕裂纹尖端笫一行单元一定要是奇异的。具休解释参见图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。它可以在裂纹尖端口动产生奇异单元。并且可以利用命令可以控制围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

6、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K1,KII和Kill。（MainMenu>GeneralPostproc>NodalCalcs>StressIntFactr)o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必须按照以下步1

7、、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）并口y轴垂直于裂纹面。图2给出了示意。注意一当使用KCALC命令吋，坐标系必须是激活的模型坐标系［CSYS］和结果坐标系［RSYS］oUtilityMcnu>WorkPlanc>LocalCoordinatcSystcms>CreateLocalCS>AtSpecifiedLoc2、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，沿裂纹面需冇两个附加点，这两个点都沿裂缝面；对于整体裂纹模型

8、，则应包括两个裂纹面，共需四个附加点，两个点沿一个裂纹面，其他两个点沿另一个裂纹而。命令：PATH,PPATHGUI：MainMenu>GeneralPostproc>PathOperations>DefinePath3、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而应变。