基于ABAQUS对NSCB试样无量纲应力强度因子的标定研究

  基于ABAQUS对NSCB试样无量纲应力强度因子的标定研究  Summary:半圆弯曲（NSCB）试样相对传统的土梁弯曲试样来进行材料抗裂性能的研究，其体积更小，不用特定的固定夹具来固定试样，更适用于强度较小的材料，同时可减小试验的工作量。因此，基于ABAQUS有限元软件，对NSCB试样进行了三点加载时不同的长径比下无量纲应力强度因子的标定。从有限元建模和结果进行了论述，拟合出了对称加载时无量纲应力强度因子变化曲线。数值模拟结果可以为NSCB试样计算断裂韧度提供一定的参考。关键字：ABAQUS；应力强度因子；数值模拟；三点弯曲：TU431文献标志码：A0引言裂缝是岩土中常见的破坏隐患因素[1]。早在1969年Skenptond[2]等建议用断裂力学的概念来解释边坡的失稳过程以来，国内学者对土体的破坏进行了大量的研究。本文通过采用有限单元法来进行半圆弯曲（NSCB）试样无量纲应力强度因子的标定，试样的加载为三点加载，研究主要为对称加载时的无量纲应力强度因子的标定。NSCB试样无量纲应力强度因子的标定结果对其计算断裂韧度有着重要的参考价值。1.有限元建模ABAQUS中有着其独特的求解模块，通过数值模拟可以求解出在施加荷载时的应力强度因子，然后再根据国际岩石力学学会（ISRM）[3]建议的如下公式求解出其无量纲应力强度因子Y。 （1）式中：为应力强度因子，Y为无量纲因子应力强度因子，为施加的荷载，a为裂缝的长度，B为试样的厚度，R为试样的半径。加载方式采用三点加载如图1所示，采用竖向加载，将上部圆形命名为荷载施加点，下部两圆形命名为支撑点，试样竖向放置。当时加载模式为I型加载，通过有限元模拟可以求解出所需的，可以为后续NSCB试样计算其断裂韧度提供一定的参考。图1NSCB装置加载示意图2.1建模步骤2.1.1建立部件为了模拟试样的加载情况，利用ABAQUS有限元分析建立二维模型，其模型主要分为两部分，第一部分为半径75mm的半圆模型如下图2所示，其属性为可变形，是模型的主体部分。同时为了模拟荷载施加点和支撑点，建立3个半径为5mm的圆形，其属性为离散刚性。2.1.2定义材料属性首先在工具栏模块建立材料属性，将材料属性设置成弹性，并且输入其弹性模量和泊松比。在本文中弹性模量为21000Mpa，泊松比为0.25。然后创建界面，其界面为半圆均质实体，为了模拟其厚度可以在其平面应力厚度设置为60mm。最后为其赋予所建好的材料属性。2.1.3装配和分析步建立装配其目的是要将各个部件连接起来让其成为整体。选择部件连接，实例类型选择为非独立即网格在部件上，这一步尤为重要，否则将会影响后面的网格划分。随后建立分析步，设置为几何非线性，分析步初始值为0.001，最小为，最大为0.1，最大增量步数为10000。2.1.4添加边界条件和荷载首先在工具栏设置6个面，主体半圆设置3个表面，支撑点为3个表面，通过建立相互作用让其连接，并且将模型主体与支撑点之间的摩擦系数设置为0.2。将下面两支撑点固定，荷载施加点控制其水平方向的位移，保证其只能够沿着竖直方向产生位移。同时为了防止其模型产生倾斜在模型主体部分的两端添加弹簧约束，其自由度为1。在荷载施加点建立荷载，大小为50N。2.1.5网格划分和裂缝指派采用有限单元法在划分网格是需要在裂缝的尖端进行网格加密，因此在裂纹尖端设置圆形如图2所示，在裂纹尖端种子数设置为1，网格形状为三角形，在环形部分沿着裂缝方向种子数设置为5，形状为四边形。在相互作用采用模块设置seam裂纹，并且将奇异性设置为0.25。3.数值模拟结果运用公式（1）求出其无量纲应力强度因子，模拟结果拟合曲线如下图4（b）所示：图2随长径比变化关系曲线图2给出的结果可以看出随着裂缝长度的增加，无量纲应力强度因子会逐渐增大；同时当裂缝长度一定时，无量纲应力强度因子会随着长跨比的增大而增大。图2不仅反映出了的变化规律，同时也给出了不同长跨比和长径比所对应的。根据其模拟结果可以为半圆形试样进行I型断裂试验的断裂韧度计算提供一定的参考。4.结论本文基于有限元分析软件ABAQUS，对NSCB试样的三点加载在对称情况下进行了抗裂性能测试试验中无量纲应力强度因子的数值模拟标定。通过数值模拟，得到了随着长径比a/R、对称加载下长跨比的变化规律，并且得到了其标定曲线图。通过其标定曲线图可以为NSCB试样的断裂韧度计算提供一定的参考。Reference：[1]张丙印，温彦锋，朱本珍.土工构筑物和边坡工程发展综述:作用机理与数值模拟方法[J].土木工程学报，2016，49(8):1－15．[2]SkemptonAW,SchusterRL,PetleyDJ,SidesGR.JointsandfissuresintheLondonclayatwraysburyandedgware[J].Geotechnique,1970,20:208-209.[3]M.D.Kuruppu,Y.Obara,M.R.Ayatollahi,etal.ISRM-suggestedmethodfordeterminingtheModeIstaticfracturetoughnessusingSemi-CircularBendSpecimen.[J].Rockmechanicsandrockengineering,2013,47(1):267-274. -全文完-