断裂力学分析.doc

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1、在断裂模型中最重要的区域，是围绕裂纹边缘的部位。裂纹的边缘，在２Ｄ模型中称为裂纹尖端，在３Ｄ模型中称为裂纹前缘。如图１０-１０９所示。图10-109在线弹性问题中，在裂纹尖端附近（或裂纹前缘）某点的位移随而变化，r是裂纹尖端到该点的距离，裂纹尖端处的应力与应变是奇异的，随1/变化。为选取应变奇异点，相应的裂纹面需与它一致，围绕裂纹顶点的有限元单元应该是二次奇异单元，其中节点放到１/４边处。图１０-１１０表示２Ｄ和３Ｄ模型的奇异单元。图10-110对２Ｄ断裂模型推荐采用ＰＬＡＮＥ２单元，其为六节点三角形单元。围绕裂纹尖端的第一行单元，

2、必须具有奇异性，如图１０-１１０（ａ）所示。ＰＲＥＰ７中ＫＳＣＯＮ命令（ＭａｉｎＭｅｎｕ＞Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ＞ＭｅｓｈｉｎｇＳｈａｐｅ＆Ｓｉｚｅ＞ＣｏｎｃｅｎｔｒａｔＫＰｓＣｒｅａｔｅ）用于指定关键点周围的单元大小，它特别适用于断裂模型。本命令自动围绕指定的关键点产生奇异单元。命令的其他选项可以控制第一行单元的半径，以及控制周围的单元数目等，图１０-１１１显示用ＫＳＣＯＮ命令产生的断裂模型。图10-111建立２Ｄ模型的其他建议：●尽可能利用对称条件。在许多情况下根据对称或反对称边界条件，只需要模拟裂纹区的一半，如图１０

3、-１１２所示。图10-112●为获得理想的计算结果，围绕裂纹尖端的第一行单元，其半径应该是八分之一裂纹长或更小。沿裂纹周向每一单元最好有３０°～４０°。●裂纹尖端的单元不能有扭曲，最好是等腰三角形。３Ｄ断裂模型３Ｄ模型推荐使用的单元类型为二十节点块体单元ＳＯＬＩＤ９５，如图１０１１０（ｂ）所示。围绕裂纹前缘的第一行单元应该是奇异单元。这种单元是楔形的，单元的ＫＬＰＯ面退化成ＫＯ线。产生３Ｄ断裂模型要比２Ｄ模型复杂，ＫＳＣＯＮ命令不能用于３Ｄ模型，必须保证裂纹前缘沿着单元的ＫＯ边。建立３Ｄ断裂模型的建议如下：●推荐的单元尺寸与２Ｄ模

4、型一样。此外在所有的方向上，单元的相邻边之比不能超过４∶１。●在弯曲裂纹前缘上，单元的大小取决于局部曲率的数值。例如，沿圆环状弯曲裂纹前缘，在150～3000的角度内至少有一个单元。●所有单元的边（包括在裂纹前缘上的）都应该是直线。１０.４.２计算断裂参数在静态分析完成后，可以通过通用后处理器ＰＯＳＴ１来计算断裂参数，如前面提到的应力强度因子、Ｊ积分及能量释放率等。１０４２１应力强度因子用ＰＯＳＴ１中的ＫＣＡＬＣ命令（ＭａｉｎＭｅｎｕ＞ＧｅｎｅｒａｌＰｏｓｔｐｒｏｃ＞ＮｏｄａｌＣａｌｃｓ＞ＳｔｒｅｓｓＩｎｔＦａｃｔｒ）计算复合

5、型断裂模式中的应力强度因子（ＫⅠ，ＫⅡ，ＫⅢ）。该命令仅适用于在裂纹区域附近具有均匀的各向同性材料的线弹性问题。使用ＫＣＡＬＣ命令的步骤如下：（１）定义局部的裂纹尖端或裂纹前缘的坐标系，以Ｘ轴平行于裂纹面（在３Ｄ模型中垂直于裂纹前缘），Ｙ轴垂直于裂纹面，如图１０-１１３所示。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］。命令：ＬＯＣＡＬ（或ＣＬＯＣＡＬ，ＣＳ，ＣＳＫＰ等）ＧＵＩ：ＵｔｉｌｉｔｙＭｅｎｕ＞ＷｏｒｋＰｌａｎｅ＞ＬｏｃａｌＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＳｙｓｔｅｍｓ＞ＣｒｅａｔｅＬｏ

6、ｃａｌＣＳ＞ＡｔＳｐｅｃｉｆｉｅｄＬｏｃ（２）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，这两个点都沿裂纹面；对于整体裂纹模型，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面。图１０-１１４给出了２Ｄ模型的情况。命令：ＰＡＴＨ，ＰＰＡＴＨＧＵＩ：ＭａｉｎＭｅｎｕ＞ＧｅｎｅｒａｌＰｏｓｔｐｒｏｃ＞ＰａｔｈＯｐｅｒａｔｉｏｎｓ＞ＤｅｆｉｎｅＰａｔｈ（３）计算ＫⅠ，ＫⅡ，ＫⅢ，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

7、，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。命令：ＫＣＡＬＣＧＵＩ：ＭａｉｎＭｅｎｕ＞ＧｅｎｅｒａｌＰｏｓｔｐｒｏｃ＞ＮｏｄａｌＣａｌｃｓ＞ＳｔｒｅｓｓＩｎｔＦａｃｔｒ１０４２２Ｊ积分Ｊ积分的最简单形式，可以定义为与路径无关的曲线积分，它能度量裂纹尖端附近的奇异应力和应变的强度。下面的公式是２Ｄ情况下的定积分表达式。它假定裂缝位于总体直角坐标ＸＹ平面，而Ｘ轴平行于裂缝。●计算路径移动的距离DX。一般情况下取为路径总长度的１％。可

8、以通过下面的命令得到路径的总长度。*GET，Name，PATH，，LAST，S●沿X轴的负方向移动DX/2距离[PCALC，ADD，XG，XG，，，，东西、2]，将UX和UY映射到路径上[PDEF]，取名为UX1和UY1。●沿X轴的