abaqus断裂模拟

文章编号!"##$%#&’’()##&*#$%##"+%#, 收稿日期!)##&-#$-)# 基金项目!国家自然科学基金(+./,"#"+*0甘肃省自然科学基金(12#)"%3)+%#"’%4* 有限元软件模拟裂纹扩展的探讨 俞树荣5严志刚5曹 睿5陈剑虹 (兰州理工大学 石油化工学院5甘肃 兰州 ,&##+#* 摘 要! 针对采用有限元法在模拟裂纹扩展所遇到的问题5探讨了模型的建立6网格 的划分6断裂准则的应用以及网格重组技术的运用 7 关键词! 有限元0断裂准则0网格重组0断裂 中图分类号! 89""+ 文献标识码! 3 大量实验数据明:"5);!解理断裂起裂点距裂尖的距离是随机分布的5并不存在一个具有 统计意义的固定位置和特征距离:&<+;7为了深入探讨解理断裂的内在机理5我们采用 393=>2有限元软件对实验结果进行有限元模拟5来验证解理断裂综合三判据5但在模 拟过程中遇到了大量问题5下述主要讨论模拟裂纹开裂时其前处理过程中模型建立的要点及 后处理过程中断裂判据的运用方法5在计算中如果网格变形过大5计算结果将失真或无法收 敛5这时就需要进行网格重组(?@AB%C@AB2DEFGHDI?JKKHIL*7 M 模型建立 计算模拟裂纹张开位移(NOP*实验5采用的是三点弯试样5试样是对称结构5所以只模拟 试样的二分之一 7而且把该试样简化为平面应变问题 7由于在实验过程中发现不少的试样不 是沿着对称面断裂5而是沿着与对称面成一定角度断裂的 7同时模拟与对称面成 "+Q角开裂的 模型 7为了模拟沿斜面开裂5把二分之一试样划分为 )个部分(沿与对称面成 "+Q角方向*5然 后通过使用 RIHGHJENDISHGHDI语句再把 )个部分结合起来5这里用的是法向接触属性5就是说 图 " 采用有限滑移属性模拟结果 这 )个部分只能在切向方向有很小的移动5而在法线 方向不能有任何移动 7特别值得一提的是!法向接触 属性中一定要设定好小滑移(2CJEEAEHSHIL*这个子属 性5如果采用有限滑移属性(THIHG@AEHSHIL*5这 )个接 触面将会产生相对滑动5这是模拟过程所不允许的 7 如图 "所示 7 RIKFG文件中接触面属性的设定 U2FVWJX@RIG@VJXGHDI5IJC@YRIGZVDK%" "75 U 2FVWJX@9@BJ[HDV5ID A@KJVJGHDI5KV@AAFV@% D[@V%XEDAFV@Y\3]P 第 "+卷 第 $期 )##&年 ")月 甘肃 科 学 学 报 D^FVIJEDW4JIAF2XH@IX@A _DE‘"+ aD‘$ P@X‘)##& 万方数据 !"#$%&’()*+($&’+,-*.*&/(0)*+1$-234 56. !7$,’+,-* 86. 接触面的设定 !9-*+&’+1&,$.,*+($&’+,-*0)*+1$-2:4.&;<#=+0>-*;.=/&??=?,;,*@ "#$%34."#$%35 接触面初始条件的设定 图 4 网格划分 !)*,+,&?9-*;,+,-*.AB2(09-*+&’+ "#$%34."#$%35.>-*; 网格采用等参元八节点单元C91D3EFG.在划 分网格时.因为两部分结合在一起对于划分网格 产生了一定的难度.在处理这种问题时.应该把 4 部分分开来划分 6在预制疲劳裂纹尖端用圆形网 格.在其余部分用长方形网格 6如图 4所示 6 为了能够在后处理过程中使 4个接触面开裂.必须在前处理中设定绑定C>-*;G点.有 4 种方法可以使用.一种是从 9HD中自己读出一些要绑定点号码和点所在的单元号.然后在 )*2#+文件中插入下面的命令行I !J=(+.*=(+0>-*;.,*=+&*’(01&$+:4:5 K.L.55.5M.48.4E.LN.LK.LL.LE.LO.E8.P.P !D?=(+.(?=(+0>-*;.,*=+&*’(01&$+:4:5 54L.5QM.5M5.5ME.5NN.5K4.5KO.5LK.5EQ.5O8.5OL.4.P.P 另外一种方法是直接在 9HD中利用 A--?=下拉菜单中 "(+属性功能来设定要绑定的点. 这样 9HD就能直接输出 >-*;点的号码和单元号 6这种方法是比较简单而且不会漏掉 C>-*;G点 6 图 Q 裂纹张开位移失效准则距离设定 R 断裂准则 H>HST"软件中提供 Q个断裂判据IU裂纹张开位移失效准则VW应力失效准则VX裂纹 长度与时间失效准则 6下面阐述 Q个失效准则的运用和应该注意的问题 6 R6Y 裂纹张开位移失效准则CZ[\]\^_‘^[_^a bcde\efg\hc‘_^dide]^[\]d[\beG 在使用该准则时.一定要注意 j,=+&*’(值的设 定.它指的是从当前裂纹尖端节点沿着从面C"?&k( "#$%&’(G一定距离的这个点来测量裂纹的张开位移 6 这个点是随变形而变化的.但是所设定的距离 Cj,=+&*’(G是不变的C还是从当前裂纹尖端沿从面测 量这个距离G6如图 Q所示 6 在设定 7$&’+#$(9$,+($,-*时要求设定裂纹张开 位移的临界值ClmG与裂纹积累长度关系数据行 6裂纹 K5 甘 肃 科 学 学 报 488Q年 第 M期 万方数据 积累长度是从原始裂纹尖端到当前裂纹尖端的距离 !数据行可以是一行也可以是多行"但裂 纹积累长度值是递增关系 !如果模型是对称结构"那么可以在 #$%&’($)*$+’)$+,-选项中添加 ./00)’$/参数"这样可以节省运行时间"而且软件将采用给定的张开位移临界值的一半来进 行计算 ! 图 1 利用裂纹张开位移失效准则模拟对称 面开裂的 2+3)3应力分布 裂纹张开位移失效准则是这样定义的4当从那 个设定距离长度点处测量出的张开位移值567达到 了给定的裂纹张开位移的临界值5687时"6968"当 前裂尖节点就开始从主面52%3’)$.($:%&)7脱离开 5;)<,-=7"即开裂 !如图 1所示 ! 其命令行如下4 >?3)’"-3)’9@?A;B."+-’)$-%C"+-3’%-&)9 D%$’EFEF FG"FHIJ"FFK"FHI1"FFJ"FHII"FFL"FHIM"FFN" FHFN"FFH"FHFJ"O >P-+’+%C*,-=+’+,-"Q/R)9*,-’%&’"?,$0%CE SHK"D%$’EGEFTU+V+=.($:%&)E"@?A;B." 开裂主W从面的设定及载荷线的设定 >;)<,-=".C%X)9ESHK"2Y.QBU9D%$’EGEFTU+V+=.($:%&)E"Q+0)P-&$)0)-’9 MTMMF"#$)Z()-&/9I"A(’R(’9@AQ[ MTM"FTM! MTMF"MTM 开裂准则的选择"距离的设定"临界 *A;值与裂纹积累长度关系的给定 >#$%&’($)*$+’)$+,-"Q/R)9*A;"Q,C)$%-&)9MTMF";+3’%-&)9MTMMF"./00)’$/ MTMMFK"MTMMMN MTMMF"M!MMFJ 要求输出每个开裂节点的详细结果 >*A?QY*QDUP?Q".C%X)9ESHK"2Y.QBU9D%$’EGEFTU+V+=.($:%&)E"?3)’9 @?A;B. \T\ 应力失效准则5]^_‘_abcd‘^edda^_‘e^_fg7 这个准则主要适合于模拟脆性材料的裂纹扩展 !它也需要设定一个长度距离 5;+3’%-&)7"但它与裂纹张开位移失效准则的 ;+3’%-&)的意义不同"它是指从当前裂纹尖端到 要开裂点的距离5如图 K所示7!只要在距裂纹尖端前指定距离处的应力值达到了给定的应力 值"那么裂尖前的点就开裂了 !由于应力分布具有一定的区域性5即在一定区域内的应力值几 乎一样7"所以它一开裂就是一大片区域"而几乎没有微裂纹的钝化过程 !这对于模拟裂纹扩 展是不真实的5如图 J所示7!其命令行为4 开裂主W从面的设定及载荷线的设定 >;)<,-="3C%X)93($:EI"0%3’)$93($:EF"’+0)+-&$)0)-’9MTMMF":$)Z()-&/9I" A(’R(’9<,’h M!M"FTM LF第 FK卷 俞树荣等4有限元软件模拟裂纹扩展的方法探讨 万方数据 !"#$!"! 开裂准则的选择$距离的设定$临界应力值的给定 % &’()*+’,)’-*,’-./$012,3 )’-*-)(45*’,55$*.4,’(/),3 !"#$6-5*(/),3 !"!!!#$ 5177,*’18!!$ %)./*()*&-4,$&’,9+,/)13#!$54(:,35+’&;<$7(5*,’35+’&;# =>0$=>?@$=>? %)./*()*2’-/*$54(:,35+’&;<$7(5*,’35+’&;# =>0$=>?@$A=>? 图 B 应力失效准则距离设定 图 C 利用应力失效准则模拟沿斜面 开裂的 D-5,5应力分布 EFG 裂纹长度与时间失效准则HIJKLMNOPQRSTOJUVURWXOLJWROJWYPZ 这个准则要求给出裂纹长度与时间的相互关系$也就是给出时间与长度的数据表 F这里 的时间是总体时间H如果说在这个分析过程中采用了 [个分析步$在第 <个分析步中使用了开 裂条件命令时$这个时间为从第一分析步开始到当前分析步中增量步的时间总和ZF为了测定 裂纹长度必须设定一个参考点$这个参考点可以是单个点也可以是多个点的组合H取其各点的 平均位置ZF其命令行为\ %]5,*$/5,*3 ,^&$-/*,’/(4$-/5*(/),3_(’*;<;# [‘!$ 长度的测量是从该参考点到原始裂尖的距离加上原始裂尖到当前裂尖的距离和当前裂尖 到要开裂处的距离的总和$这些距离都是沿着从面H?4(:,5+’&(),Z测定的 F它的关系式为\ a[3a#bca#?>>>:. 54’@3’,=A2:. +39B392*+9C >?: >?>D.> 开裂准则的选择.参考点参数的设定. 时间与裂纹长度关系的给定 ( E40=934’F4%9’4%+,.;AB’2 =40=G /’,H9C.;+/’40,=’2>?:.,&’92I’5 :?>>>>>:.>?>>:!JK>L. :?:. >?>>:!!K7. MMM (FNO;PF;QI文件名 ’&24?3(’456@&24?AB; 1原模型的名称 &%.C(DC,/(D7456.(%/ABAB; 1要提取的变形部分的名称 24$&%’42EC(.45=FG文件名N D(’456&%.C(D7%(789;: -D,/(D745&%.C(DSD,/(D74:M原模型中要提取的变形部分的名称N ,C(.4524$&%’42EC(.4: E/4.5-’.&%/E/4.:$%(’45LN 1定义提取后二维变形轮廓程序 D4T7%(7895 ’2)O’&24?P6@&24?A B;QOR(%/9=U4&’G%&’9=@4,CMD(’45 6D4T7%(789;: .(%/5&%.C(D7%(789: $4(/+%4VDI?45(DI?4N .%-D/6=4$&%’42)-??4/-,D&T%4(2W$&%%4X&D-DIO; 以上就是提取变形轮廓的子程序Y在 ZVF中经过调用该子程序后:经过网格重新划分后 就需要把原模型的结果传递到新的模型中来:在新生成的 SD.+/文件中插入下面的命令# 0@VRE<[\]S<3:E]FR5B:S3Z5L" 该传递的结果只是 <=>文件中的数据M这些都在原模型中定义过N:不包括像初始条件! 边界条件!载荷!材料属性等一些在执行新模型所需要的参数 " ^ 结论 MBN尽量利用结构的对称性!循环对称特性:以使模型尽量简单化:节省计算时间 " M9N在模拟多部分相接触时:接触属性的设定是一个关键的问题:在模拟开裂问题时:只 能使用法向属性:同时设定好法向属性中的 E’(??,?-2-DI子属性:如果使用切向属性:它将与 =4)&D2命令冲突:使得开裂过程无法模拟 " M_N对于裂纹张开位移失效准则与应力失效准则的使用时:一定要注意两者 =-,/(D74的 不同之处:在裂纹张开位移失效准则中:=-,/(D74指的是从当前裂尖沿从面MEB(‘4,+%$(74N设 定一定距离来测量裂纹张开位移值 "而应力失效准则中:它是从当前裂纹尖端到要开裂点的 距离 " K9 甘 肃 科 学 学 报 9KK_年 第 a期 万方数据 !"#裂纹长度与时间失效准则中$要注意时间是总体时间及测量裂纹长度的参考点的设 定 %在给定裂纹长度与时间数据关系时$要确保其长度的有效性$让模拟能够顺利进行下去 % !&#如果要模拟微裂纹的扩展中应力应变场的变化情况时$最好不要使用应力失效准则 % !’#在 ()(*+,-,./01/21的使用中$如果网格变形严重扭曲$这就需要进行手工网格重 组和使用 3/45678.960来传递结果 % 软件进一步要解决的问题:斜裂纹中的 ;<=准则的应用$自动的网格重组技术等 % 参考文献: >?@ ;AB0CD$E/0FG H$I/0;$JKLMN(1O/0PB90.AB3BPA/095Q 6R;7B/O/FBS2/P.82B6RT6U (776V/.T6U WBQ4B2/.82BNX/2.Y:S2/P.82B361B7>C@NZ0.B20/.960/7C6820/76RS2/P.82B$?[[\$]^!_#:?_?‘?^]N >_@ ;AB0CD$E/0FGHN,.81V6R3BPA/095Q6R;7B/O/FBS2/P.82B/.T6UWBQ4B2/.82B>C@N3B./7W2/05$?[[_$_^(: &a[‘&?\N >^ @ b9.PA9Bb<$c06..CS$b9PBCbN<0.ABbB7/.9605A94)B.UBB0;29.9P/7WB0597B,.2B55/01S2/P.82BW68FA0B5590 3971,.BB7>C@NC3BPAXAV5,67915$?[\^$_?:^[&‘"?aN >"@ ;822V=($c06..CSNWABbB7/.9605A94)B.UBB0S2/P.82BW68FA0B55/0139P265.28P.82B90.AB;7B/O/FBS2/P.82B 603971,.BB7>C@N3B./7,P9B0PB$?[\’$"’:?a‘?&N >&@ dBO977B=CN<0.AB=95./0PB;29.B2960R62S/9782B/..ABW9456R;2/Pe$3909Q8QS2/P.82BW68FA0B55$/01d60‘19Q‘ B05960/7W68FA0B55X/2/QB.B25>C@NC3BPAXAV5,67915$?[]]$"’!"#:""^‘""\N >’@ ()(*+,-,./01/21+5B2f53/08/7g678QBh$Y$i$D9jj9..$c/275560k,62B05B0>@NZ0PX/U.8PeB.$gB25960’N $^_aa_N >\@ ()(*+,-lm/Q47BX26j7BQ53/08/7g678QBh$Y$D9jj9..$c/275560n ,62B05B0>3@NZ0PX/U.8PeB.$gB25960 ’N^$_aa_N >]@ ()(*+,-;(l3/08/7D9jj9..$c/275560k,62B05B0>3@NZ0PX/U.8PeB1$gB25960’N^$_aa_N opqrstuvqppwxyxpwvrvz{|t{}~|v!pwyvrx"xrus z#$#pxx"xyx$pyxpwvr I+,A8‘260F$I(dHA9‘F/0F$;(8BN(77.AB5B/2B 195P855B1906824/4B2N }?@AB;C9: R909.BB7BQB0.QB.A61DR2/P.82BP29.B2960DF29152Bj897.DR2/P.82B 作者简介: 俞树荣$!?[’_‘#男$甘肃省兰州市人$兰州理工大学石油化工学院院长$教授 % ?_第 ?&卷 俞树荣等:有限元软件模拟裂纹扩展的方法探讨 万方数据