补充材料一-断裂力学ansys方法PPT课件

September30,1998,1,.,断裂力学的ANSYS求解技术,September30,1998,10-2,.,断裂参数,1、应力强度因子K2、J积分3、能量释放率G,September30,1998,10-3,.,断裂力学参数的求解,先进行裂纹模型的线弹性或弹塑性静力分析然后用特殊的后处理命令或宏命令计算断裂参数,September30,1998,10-4,.,裂纹区域的模拟,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，在二维模型中为裂纹顶端，在三维模型中为裂纹的前缘。,September30,1998,10-5,.,在线弹性问题中，在裂纹顶端附近（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，裂纹顶端处的应力和应变是奇异的，随变化。为选取应变的奇异点，相应的裂纹面须与它一致。围绕裂纹顶点的有限元单元是二次奇异单元，它是把单元边上的中节点放到1/4处。,September30,1998,10-6,.,2D-断裂模型,适用于二维断裂模型的单元是PLANE2，为六节点三角形单元，围绕裂纹尖端的第一行单元，必须具有奇异性，PREP7中的KSCON命令（MainMenuPreprocessor-Meshing-Shape&Size-ConcentratKPs-Create)是指定围绕关键点的单元大小和分割排列。本命令自动围绕指定的关键点产生奇异单元。命令的其他选项是控制第一行单元的半径，以及控制周围单元的数目等。为获得理想的计算结果，围绕裂纹顶端的第一行单元，其半径应该是八分之一裂纹长或更小。在裂纹四周每一单元最好有3040度角度，最好是等腰三角形。,September30,1998,10-7,.,三维模型推荐使用的单元类型为SOLID95，20节点块单元。围绕裂纹前缘的第一行单元应该是奇异单元，单元的KLPO面退化成KO线。产生三维断裂模型要比二维模型复杂，命令KSCON不能用于三维模型，必须要保证裂纹前缘沿着单元的KO边。推荐的单元尺寸与二维模型一样，此外在所有的方向上，单元相临边之比不超过1：4。对曲线的裂纹前缘，单元的大小决定于局部曲率的数值，大概应该使沿曲裂纹前缘中每个单元只有1530度的角度。所有单元的边（包括裂纹前缘）都应该是直线。,3D-断裂模型,September30,1998,10-8,.,计算应力强度因子,静态分析完成后，用POST1中的KCALC命令计算复合型断裂中的应力强度因子、，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。步骤如下：1、定义裂纹尖端或裂纹前缘的局部坐标系，以X轴平行于裂纹面，Y轴垂直于裂纹面，如下图所示。使用KCALC命令时，坐标必须是激活的局部坐标系(模型坐标系和结果坐标系)。GUI:UtilityMenuWorkplaneLocalCoordinateSystemsCreateLocalCSATSpecifiedLoc,September30,1998,10-9,.,2、定义沿裂纹面的路径，应以裂纹顶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，对于整个模型，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，下面图形给出了二维模型的情况。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationDefinePath,September30,1998,10-10,.,3、计算、和,KCALC命令中的KPLAN区域指定模型是平面应力或平面应变。除了薄板的分析，在裂纹顶端附近和它的渐近位置，其应力一般是考虑为平面应变，KSCYM域用来指定半裂纹模型是否具有对称边界条件，还是反对称边界条件，或是整体裂纹模型。命令：KCALCGUI:MainMenuGeneralPostprocNodalCalcsStressIntFactr,September30,1998,10-11,.,计算J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，它能标志裂纹顶端附近的奇异应力和应变强度，下式是二维情况下的J积分表达式：其中，围绕裂纹顶端的积分路径应变能密度设X轴的拉力向量=设Y轴的拉力向量=应力分量路径的外法向线分量位移向量路径的距离,September30,1998,10-12,.,J积分的计算在ANSYS中的GeneralPostproc中进行，主要是围绕上面的公式计算，其计算流程图如下图所示：,September30,1998,10-13,.,二维模型计算J积分的步骤,1.读入所要的结果命令SETGUI:MainMenuGeneralPostprocLastSet2.存储每个单元的应变能和体积命令：ETABLEGUI:MainMenuGeneralPostprocElementTableDefineTable3.计算每个单元的应变能密度命令：SEXPGUI:MainMenuGeneralPostprocElementTableExponentiate,September30,1998,10-14,.,4.定义积分线路径命令：PATHGUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsDefinePath5.将步骤3存储在单元表中的应变能密度映射到积分路径上命令：PDEFGUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsMapontoPath,September30,1998,10-15,.,6.对总体Y轴积分命令：PCALCGUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsIntegrate7.将积分的最后值赋值给一个参数，它就是J积分的第一项。命令：*GET,name,Path,LastGUI:MainMenuParametersGetScalarData,September30,1998,10-16,.,8.将应力分量SX,SY,SXY映射到积分路径上命令：PDEFGUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsMapontoPath9.定义路径法向量命令：PVECTGUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsUnitVector,September30,1998,10-17,.,10.计算TX,TY命令：PCALCGUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsOperation11.沿X轴正方向和负方向将路径移动一小段距离，计算位移向量的导数这涉及到以下步骤：计算路径移动的距离DX，一般情况下取路径的总长度的1%，可以通过以下命令得到路径总长度：*GET,Name,Path,Last,S沿X轴的负方向移动DX/2距离PCALC,ADD,XG,XG,-DX/2(即从原点处移动DX/2距离），将UX和UY映射到路径上，取名UX1,UY1。,September30,1998,10-18,.,沿X轴的正方向移动DX距离PCALC,ADD,XG,XG,DX(即从原点处移动DX/2距离），将UX和UY映射到路径上，取名UX2,UY2.把路径移回原点（距离-DX/2)，然后采用PCALC计算（UX2-UX1)/DX和(UY2-UY1)/DX,它就分别代表12.采用第10步和第11步计算得到的数据，计算J积分的第二项，并对路径的距离S积分，得到J积分第二项。13.采用7和12步所获得的数据，求和得J积分的值。,September30,1998,10-19,.,能量释放率,能量释放率用于计算裂纹张开或闭合时所作的功。计算能量释放率的方法是虚拟裂纹扩展方法。在虚拟裂纹扩展方法中，必须作两次分析，一次是裂纹长度为a，另一次是裂纹长度为a+a，如果两种情况下的位能被存储，则：其中B是断裂模型的厚度。在第二次分析中，把裂纹扩展a，选择裂纹附近的所有节点，并在X方向给予缩放，以得到扩展了的裂纹模型。MainMenuPeoprocessorModeling-OperateScale裂纹附近通常指裂纹尖端在半径a/2内的全部节点，同样对节点的缩放因子a，一般应取裂纹长度的0.5%2%。,September30,1998,10-20,.,如图所示薄平板，100mmX100mmX10mm，长条板有单边裂纹，裂纹长度为a=20mm，泊松比为0.3，杨氏模量为200e9，在1MPa拉伸应力作用下，求平板的应力强度因子K和J积分。,实例stepbystep,September30,1998,10-21,.,一、建立模型,1、在前处理中建立五个关键点1(0,0,0)、2(0.02,0,0)、3(0.1,0,0)、4(0.1,0.05,0)、5(0,0.05,0)。GUI:MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypointsInActiveCS2、建立直线,如图所示。GUI:MainMenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesstraightline,September30,1998,10-22,.,3、通过线产生面。GUI:MainMenuPreprocessorModelingCreateAreasArbitraryByLines,二、定义单元类型和材料属性,1、定义单元类型为PLANE2,并且在Options选项中定义Elementbehavior为Planestrsw/thk。GUI:MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteAdd,September30,1998,10-23,.,2、定义实常数，板厚为0.01m.GUI:MainMenuPreprocessorRealConstantsAdd/Edit/DeleteAdd3、定义材料属性，E=200e9,NUXY=0.3。GUI:MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels,September30,1998,10-24,.,三、定义应力集中点,1、定义关键点2为应力集中点，在出现的对话框中依次输入0.02/10、1、15、skewed1/4pt。GUI:MainMenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsConcentratKPsCreate,September30,1998,10-25,.,四、划分网格,1、用三角形单元划分网格，在裂纹处可以适当的划分细点。整个模型的网格图和裂纹尖端的网格图如下图所示。GUI:MainMenuPreprocessorMeshingMeshAreasFree,模型网格图,裂纹尖端网格图,单元尺寸0.003,September30,1998,10-26,.,五、定义边界条件,1、在下面的直线上施加对称位移约束，在上面的直线上施加大小为1MPa的均布拉力GUI:MainMenuPreprocessorLoadsDefineLoadsApplyStructuralDisplacementSymmetryB.C.OnLinesGUI:MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnLines,六、求解,1、保存数据文件，并求解。GUI:MainMenuSolutionSolveCurrentLS,约束底面右侧的直线？,September30,1998,10-27,.,七、计算应力强度因子,1、定义局部的裂纹尖端的坐标系，以X轴平行于裂纹面，Y轴垂直于裂纹面。在关键点处定义局部坐标系。GUI:UtilityMenuWorkPlaneLocalCoordinateSystemsCreateLocalCSAtSpecifiedLoc(采用BY3nodes+来定义，第一点为裂纹尖端，即坐标系原点，第二点定义X轴，第三点定义XY平面),应该是笛卡尔坐标系？,September30,1998,10-28,.,、激活局部坐标系11。GUI:UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoSpecifiedCoordSys、定义沿裂纹面的路径，以裂纹顶端作为路径的第一点，然后再在裂纹面上选取两个点作为路径的附加点。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsDefinePathByNodes,September30,1998,10-29,.,、计算应力强度因子。(计算值：0.40638E+06)GUI:MainMenuGeneralPostprocNodalCalcsStressIntFactr,September30,1998,10-30,.,September30,1998,10-31,.,八、计算J积分,、读入所要的计算结果GUI:MainMenuGeneralPostprocReadResultsLastSet,September30,1998,10-32,.,、储存每个单元的应变能和体积GUI:MainMenuGeneralPostprocElementTableDefineTableAdd,September30,1998,10-33,.,储存每个单元的应变能,September30,1998,10-34,.,储存每个单元的体积,September30,1998,10-35,.,、计算每个单元的应变能密度GUI:MainMenuGeneralPostprocElementTableExponentiate,September30,1998,10-36,.,、定义积分路径jint。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsDefinePathByNodes,September30,1998,10-37,.,、绘制应变能密度。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsMapontoPath,September30,1998,10-38,.,、计算沿路径jint对Y轴的积分。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsIntegrate,September30,1998,10-39,.,、把积分所得值赋给变量JA。命令：GET,JA,PATH,LAST,JGUI:ParametersGetScalarData,September30,1998,10-40,.,JA=8.7628E-02,September30,1998,10-41,.,、定义路径法向量。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsUnitVector,September30,1998,10-42,.,、分别绘制在路径上的应力分量SX、SY和SXY。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsMapontoPath,应该选sx,September30,1998,10-43,.,September30,1998,10-44,.,September30,1998,10-45,.,10、计算TX和TY。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsMultiply,September30,1998,10-46,.,September30,1998,10-47,.,GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsAdd同样的方法计算TY。,September30,1998,10-48,.,11、为计算DUX/DX和DUY/DY，设定一个小位移距离长度。先求路径的长度，以路径长度的1/100作为小的距离长度，来求导数.命令：*GET,length,PATH,LAST,S在参数定义窗口中输入DX=length/100.GUI:UtilityMenuParametersScalarParameters,September30,1998,10-49,.,12、先将整个积分路径沿X轴向负方向移动-DX/2。GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsAdd,September30,1998,10-50,.,13、绘制在路径上的位移分量UX和UY.GUI:MainMenuGeneralPostprocPathOperationsMapontoPath,September30,1998,10-51,.,September30,1998,10-52,.,14、把现在的积分路径再沿X正方向移动DX，并且在路径上绘制位移分量UX和UY。方法同上。,September30,1998,10-53,.,September30