ansys的断裂参数的计算
ANSYSworkbench裂纹分析
基于ANSYS Workbench的表面裂纹计算By Yan Fei本教程使用ANSYS Workbench17.0 进行试件表面裂纹的分析，求应力强度因子。
需要提前说明的是，本案例没有工程背景，仅为说明裂纹相的计算方法，因此参数取值比较随意，大量设置都采用了默认值。
1.背景知识传统的强度设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际工程构件中存在多种缺陷，断裂力学是从20实际50年代末期发展起来的一门弥补了传统强度设计思想严重不足的新的学科，是专门研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件作用下构件的强度、裂纹扩展趋势以及疲劳寿命的科学。
断裂力学是从构件内部具有初始缺陷这一实际情况出发，研究在外部荷载下的裂纹扩展规律，从而提出带裂纹构件的安全设计准则。
a 张开型裂纹b 滑开型裂纹c 撕开型裂纹图 1 裂纹的分类使用弹性力学方法可以求得，在裂纹尖端处的应力的解析解为无穷大，此时应力值已经失去意义，一般采用应力强度因子作为判断结构是否安全的指标。
目前的断裂力学研究主要集中在I型裂纹的开裂，数值计算工具也多集中在I型裂纹的计算上，因此以I型裂纹为例。
图2 裂纹尖端坐标系含有裂纹的无限大平板的I 型裂纹尖端附近的应力为：)(23cos 2sin 223sin 2sin 12cos223sin 2sin 12cos20ⅠⅠⅠr O r K r K r K xyy x +=+=-=其中，K Ⅰ叫Ⅰ型裂纹的应力强度因子。
2.ANSYS Workbench 裂纹分析2.1.分析模型的建立1 建立一个静力分析步，材料使用默认，需要说明的是，现有计算技术下，断裂力学计算一般都采用线弹性材料，考虑到断裂中塑性区一般都不大，线弹性的假设还是可以接受的。
图3 分析步设置2 建立几何模型，本案例使用spaceclaim 建立几何模型。
图4 试件平面图图5 试件立体图3 分网格，必须采用四面体网格。
本文划分单元特征尺寸1mm。
图 6 网格设置图7 分网效果4 划分网格完成以后，首先进行一次静力计算，确保所有设置正确，对ANSYS Workbench比较熟悉的同学可以省略这一步，静力计算时，试件的两个端面一个约束位移，另一个加1000N的力，方向沿试件轴向，使试件受拉。
裂纹尖端断裂力学参数计算-资料
H C
XA,XB,XC为A，B，C节点的坐标 ， uA,uB,uC分别为三节点的水平位移。
裂纹线上任意一点的坐标x和 位移u都可以用形函数插值为：
x0.5(1)xA(1)1 ()xB0.5(1)xC u0.5(1)uA(1)1 ()uB0.5(1)uC (4) 11
20世纪50年代，美国北极星导弹固体燃料发动机 发射时发生低应力脆断。
1965年，英国某大型合成塔在水压试验时断裂成 两段。
事故调查发现 →断裂起源于构件中裂纹
1、裂纹尖端断裂力学参数研究意义
传统的强度理论
缺陷：传统强度理论并没有考虑材料中是否有缺陷， 对有缺陷的材料，对其安全可靠性不能做出正确的判 断。
2、裂纹尖端KI的计算方法
J积分法
J积分定义为与路径无关的曲线积分
tx xnx xyny ty yny xynx
tx, ty 分别为X,Y轴的引力分量 n为积分路劲上的单位法向量
间接求得
KI
JE 1- 2
缺点：只能应用于穿透性裂纹，对于表面椭 圆裂纹，剪切滑移等裂纹根本无法计算。
基于ANSYS的裂纹尖端应力强度 因子KI的计算
裂纹尖端应力强度KI研究的意义 裂纹尖端KI的计算方法 裂纹尖端应力奇异性处理 Ansys计算过程及结果
1、裂纹尖端断裂力学参数研究意义
随着现代高强材料和大型结构的广泛应用，一些 按传统强度理论和常规方法设计、制造的产品， 发生了不少重大断裂事故。
(6)
在极坐标中 xr,0 故(6)变为
x x u x u x1 r1 L [ 2u B (1 2 )u C ]
(7)
根据材料的本构关系，应力与应变成正比，故应力也与 1/ r 项成比例
断裂力学参量[整理版]
![断裂力学参量[整理版]](https://img.taocdn.com/s3/m/b8a2a748814d2b160b4e767f5acfa1c7aa0082f3.png)
ANSYS求解断裂力学参量的理论方法工程上,线弹性断裂力学中常用应力强度因子K、J积分、G能量释放率这三个参量来描述裂纹场。
ANSYS软件能较好地计算裂纹周围区域的应力分布，并能计算裂纹的应力强度因子K、J积分以及能量释放率G等，其特点是简单、经济、精度高。
下面主要介绍在ANSYS中如何求解应力强度因子K和J积分。
（1）求解应力强度因子ANSYS软件中提供了所谓的“位移外推”法(displacement extrapolation) 来计算应力强度因子[5]。
在线弹性范围内,对于三维裂纹,裂纹尖端的局部位移场与应力强度因子的关系为[6]：)2)22IIIIIIKu kGKv kGKwG⎧=+⎪⎪⎪⎪=+⎨⎪⎪⎪=⎪⎩式中: u、v、w—如图2.5所示裂纹尖端局部直角坐标系下裂纹前端位移；r—如图2.5所示裂纹尖端局部柱坐标系下坐标；G—材料剪切模量；K I、K II、K III—应力强度因子；v—为泊松比；34()3()1vk vv-⎧⎪=⎨-⎪+⎩平面应变或轴对称平面应力当利用裂纹尖端节点的位移进行计算时，应力强度因子和裂纹面节点的位移差存在下列关系：IIIIIIKKK⎧=⎪⎪⎪⎪=⎨⎪⎪⎪=⎪⎩三维裂纹的局部坐标在使用有限元法进行应力强度因子计算时,由于常规单元在裂纹尖端存在奇异性,为使计算准确,必须在裂纹尖端使用细小的单元;如果使用奇异元,即使用二次三角(或五面体)单元,并将靠近裂纹尖端的中间节点置于1/4处,则位于沿裂纹尖端的单元边上的应力和应变与1/消除了奇异性，也就是说，可以用相对比较稀疏的单元得到精度较高的结果。
（2）求解J积分J积分定义为一个围绕裂尖的线积分(二维) 或一个围绕裂纹前沿的面积分。
它用计算裂纹尖端的奇异应力和应变,与积分路径无关。
为了避开裂纹尖点的奇异性,取得较好的精度,积分路径一般取得离裂纹尖点较远。
J积分形式如图2.6所示，其表达式如下：()yxx yuuJ Wdy t t dsx yΓΓ∂∂=-+∂∂⎰⎰式中：W—应变能密度(单位体积应变能)；Г—围绕裂纹尖点任意路径；xt—X 方向的作用向量,x x xy yt nσσ=+;yt—Y方向的作用向量,y y xy xt nσσ=+;n—积分路径的外法向向量；s —积分路径距离；围绕裂纹尖端的任意一条J 积分路径在ANSYS 中，为了计算位移向量的偏导数x u x ∂∂与y u y ∂∂，将积分路径向x 正负方向分别移动Δx/2，并求出路径Γ+Δx/2上各点的位移u x1和u y 1以及路径Γ-Δx/2上各点的u x 1和u y 1，则：2121()()x x x y y y u x u u xu y u u y∂∂=-∆⎧⎪⎨∂∂=-∆⎪⎩ ANSYS 具有强大的后处理功能,利用此功能,在求解后可以通过ANSYS 通用后处理器中的单元列表功能,很方便地把各变量映射到自定义的路径中去。
Ansys 断裂力学理论
第四章断裂力学文献来源：/document/200707/article796_2.htm4.1 断裂力学的定义在许多结构和零部件中存在的裂纹和缺陷，有时会导致灾难性的后果。
断裂力学在工程领域的应用就是要解决裂纹和缺陷的扩展问题。
断裂力学是研究载荷作用下结构中的裂纹是怎样扩展的，并对有关的裂纹扩展和断裂失效用实验的结果进行预测。
它是通过计算裂纹区域和破坏结构的断裂参数来预测的，如应力强度因子，它能估算裂纹扩展速率。
一般情况下，裂纹的扩展是随着作用在构件上的循环载荷次数而增加的。
如飞机机舱中的裂纹扩展，它与机舱加压及减压有关。
此外，环境条件，如温度、或大范围的辐射都能影响材料的断裂特性。
典型的断裂参数有：与三种基本断裂模型相关的应力强度因子(K I,K II,K III)(见图4-1)；J积分，它定义为与积分路径无关的线积分，用于度量裂纹尖端附近奇异应力与应变的强度；能量释放率(G)，它反映裂纹张开或闭合时功的大小；注意--在本节大部分的图形中裂纹的宽度被放大了许多倍。
图4-1 裂缝的三种基本模型4.2 断裂力学的求解求解断裂力学问题的步骤为：先进行线弹性分析或弹塑性静力分析，然后用特殊的后处理命令、或宏命令计算所需的断裂参数。
本章我们集中讨论下列两个主要的处理过程。
裂纹区域的模拟；计算断裂参数。
4.2.1 裂纹区域的模拟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4-2所示。
图4-2 裂纹尖端和裂纹前缘在线弹性问题中，在裂纹尖端附近(或裂纹前缘)某点的位移随而变化，γ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4-3表示2-D和3-D模型的奇异单元。
图4-3 2-D和3-D模型的奇异单元4.2.1.1 2-D断裂模型对2D断裂模型推荐采用PLANE2单元，其为六节点三角形单元。
在ANSYS中计算裂缝应力强度因子的技巧
在ANSYS中计算裂缝应力强度因子的技巧在ANSYS中计算裂缝应力强度因子的技巧裂缝应力强度因子用ANSYS中怎么求呀。
另外，建模时，裂纹应该怎么处理呀，难道只有画出一条线吗？首先说一下裂纹怎么画，其实裂纹很简单啊。
只要画出裂纹的上下表面（线）就可以了，即使是两个面（线）重合也一定要是两个面（线）；如果考虑道对称模型就更好办了，裂纹尖点左面用一个面（线），右边用另外一个面（线），加上对称边界约束。
再说一下裂尖点附近网格的划分。
ansys提供了一个kscon的命令，主要是使得crack tip的第一层单元变成奇异单元，用来模拟断裂奇异性(singularity)。
当然这个步骤不是必须的，有的人说起用ansys算强度因子的时候就一定要用奇异单元，其实是误区（原因下面解释）好了，回到强度因子的计算。
其实只要学过一些断裂力学都知道，K的求法很多。
就拿Mode I的KI来说吧，Ansys自己提供了一个办法（displacement extrapolation），中文可能翻译作“位移外推”法，其实就是根据解析解的位移公式来对计算数据进行fitting的。
分3步走，如果你已经算完了：第一步，先定义一个crack-tip的局部坐标系，这是ansys帮助文件中说的，其实如果你的裂纹尖端就是整体坐标原点的话，而且你的x-axis就顺着裂纹，就没有什么必要了。
第二步，定义一个始于crack-tip的path,什么什么？path怎么定义？？看看帮助吧，在索引里面查找fracture mechanics，找到怎么计算断裂强度因子。
（my god,我这3步全是在copy 帮助中的东东啊）。
第三步，Nodal Calcs>Stress Int Factr ，别忘了，这是在后处理postproc中啊。
办法是好，可是对于裂纹尖端的单元网格依赖性很大，所以用kscon制造尖端奇异单元很重要。
curtain的经验是path路径取的越靠近cracktip得到的强度因子就越大，所以单元最好是越fine越好啊。
01_断裂参数的数值计算方法_02
11
断裂参数的数值计算方法
1.6.1 全局虚拟裂纹扩展法
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐
12
断裂参数的数值计算方法
1.6.1 全局虚拟裂纹扩展法
APPROXIMATE ENERGY TOTALS RECOVERABLE STRAIN ENERGY 46.4131 KINETIC ENERGY 0.00000 *NSET,NSET=node_crack,GEN EXTERNAL WORK 46.4131 21,101,1 PLASTIC DISSIPATION 0.00000 CREEP DISSIPATION 0.00000 VISCOUS DISSIPATION (IN DAMPERS ETC) 0.00000 STATIC DISSIPATION (STABILIZATION) 0.00000 ENERGY LOST AT IMPACTS 0.00000 ENERGY TO CONTROL SPURIOUS MODES 0.00000 ENERGY LOST THROUGH QUIET BOUNDARIES 0.00000 ELECTROSTATIC ENERGY 0.00000 裂纹扩展 ENERGY DUE TO ELECTRICAL CURRENT 0.00000 一个单元 ENERGY LOST TO FRICTIONAL DISSIPATION 0.00000 BUCKLING DISSIPATION (FOR FRAME ELEMT.) 0.00000 DAMAGE DISSIPATION 0.00000 TOTAL STRAIN ENERGY (STRESS POWER) 46.4131 ENERGY BALANCE -2.302158E-12 APPROXIMATE ENERGY TOTALS RECOVERABLE STRAIN ENERGY 46.5637 KINETIC ENERGY 0.00000 *NSET,NSET=node_crack,GEN EXTERNAL WORK 46.5637 22,101,1 PLASTIC DISSIPATION 0.00000 CREEP DISSIPATION 0.00000 VISCOUS DISSIPATION (IN DAMPERS ETC) 0.00000 STATIC DISSIPATION (STABILIZATION) 0.00000 ENERGY LOST AT IMPACTS 0.00000 ENERGY TO CONTROL SPURIOUS MODES 0.00000 ENERGY LOST THROUGH QUIET BOUNDARIES 0.00000 ELECTROSTATIC ENERGY 0.00000 ENERGY DUE TO ELECTRICAL CURRENT 0.00000 ENERGY LOST TO FRICTIONAL DISSIPATION 0.00000 BUCKLING DISSIPATION (FOR FRAME ELEMT.) 0.00000 DAMAGE DISSIPATION 0.00000 TOTAL STRAIN ENERGY (STRESS POWER) 46.5637 ENERGY BALANCE -2.053469E-12
用ANSYS作裂纹走向预测的计算技巧
用ANSYS作裂纹走向预测的计算技巧ANSYS是一个广泛应用于工程领域的有限元分析软件，用于模拟和解决各种工程问题。
在裂纹走向预测方面，ANSYS提供了多种功能和技巧。
本篇文章将介绍ANSYS在裂纹走向预测方面的计算技巧，并提供一些实用的方法和建议。
以下是一些值得关注的关键步骤和技巧：1.建立准确的模型：在进行裂纹走向预测之前，需要建立一个符合实际情况的准确模型。
模型的准确性对于预测结果的准确性至关重要。
在建模过程中，需要考虑材料的性质、裂纹的大小和方向以及与裂纹配合的部件的几何形状。
2.材料参数的输入：ANSYS提供了材料数据库，可以选择标准材料参数。
然而，在一些情况下，需要自定义材料参数。
这涉及到材料的宏观和微观力学性质。
这些材料参数包括弹性模量、屈服强度、破坏韧性等。
正确输入材料参数对于准确预测裂纹走向至关重要。
3.边界条件的设置：边界条件对于裂纹行为的模拟非常关键。
在模型中正确设置边界条件将能够准确预测裂纹的行为。
对于裂纹走向预测，需要考虑材料的加载状态和应力分布。
要模拟真实情况下材料的力学行为，可以设置边界条件来模拟真实的受力情况。
4.裂纹尺寸的输入：在模拟裂纹行为时，需要定义裂纹的尺寸。
ANSYS提供了多种定义裂纹尺寸的方法，包括手动输入和自动生成。
在裂纹走向预测中，可以通过输入不同的裂纹尺寸来模拟不同的裂纹形态，然后预测不同的裂纹走向。
5.工程应力的加载：工程应力加载是模拟实际工程问题的关键步骤之一、通过在模型中应用工程应力，可以模拟裂纹行为的响应。
可以在ANSYS中使用加载边界条件来模拟不同的加载条件，例如拉伸、压缩或弯曲。
6. 材料损伤准则的选择：裂纹走向预测中，需要选择适当的材料损伤准则。
材料损伤准则用于预测裂纹扩展方向和速率。
ANSYS提供了多种材料损伤准则，如J-Integral、CTOD等。
选择适当的材料损伤准则可以提高预测结果的准确性。
7.结果分析和后处理：在模拟完成后，需要对结果进行分析和后处理。
ANSYS积分法和节点位移法求解应力强度因子附命令流
K I = √2π K II = √2π 其中： G为剪切模量；
G ∆v 1 + κ √r G ∆u 1 + κ √r
κ为材料常数，对于平面应力问题，取
3−������ 1+������
；
∆u为裂纹面在某点处的水平相对位移； ∆v为裂纹面在某点处的垂直相对位移。
图 1-6
位移法图解
根据断裂力学对于三种裂纹的定义，当∆v>0 时，K I 为正，裂纹上下面相对 位移为顺时针为正，即顺时针时，∆u>0，K II 为正；反之为负。理论上，当取上 下裂纹面同一位置的点，当该点趋向于裂尖时，结果更精确，本算例取奇异单元 上 1/4 处的节点的位移进行计算，计算模型同上。 首先，先对有限元模型进行求解，然后进入到后处理层，求出在局部坐标系 系下，所处裂纹上下面的奇异单元上 1/4 处节点的水平及竖直位移 ux，uy，然后 求出裂纹面的相对位移∆u、∆v，最后代入上式即可。 计算结果如图 1-7 所示：KI=223.84Mpa*(mm)1/2，KII=217.63Mpa*(mm)1/2。 计算误差分别为：3.1%、0.25%。
FINISH /CLEAR /TITIE,INTERACTIVE INTEGRATION METHOD BY IDUTER-ANSYS /PREP7 /RGB,INDEX,100,100,100, 0 /RGB,INDEX, 80, 80, 80,13 /RGB,INDEX, 60, 60, 60,14 /RGB,INDEX, 0, 0, 0,15 /REPLOT !------------------!UNIFIED UNIT(N,MM) PI=ACOS(-1) *SET,H,80 *SET,W,50 *SET,A,0.12*W *SET,BETA,90-45 *SET,ALPH,(90-BETA)*PI/180 *SET,SIGMA,100 R1=1 R2=2 R3=3 !THE HEIGHT OF MODEL !THE WEIGHT OF MODEL !HALF LENGTH OF THE ANGLED CRACK !THE INCLINED ANGLE OF CRACK ! RADIAN SYSTEM !SIGMA !FIRST ROW OF ELEMENT RADIUS !THIRD ROW OF ELEMENT RADIUS !SIXTH ROW OF ELEMENT RADIUS
断裂参量在ANSYS中的计算分析
$! 结论
"# $ ! 通过以上的计算分析， 说明断裂参量在 %&’(’ 中的计算是可行的， 为复杂裂纹在复杂载荷下的断裂判 据的计算提供了有效的方法 "# % ! 宏观裂纹的倾角对于应力强度因子和 # 积分值都有一定程度的影响， 但是对应力强度因子的影响大一 点， 对于 # 积分的影响不太明显。 "# & ! 宏观裂纹的长度在构件的失稳破坏过程中起着主导作用， 对于应力强度因子和 # 积分的影响都比较显 著% "# " ! 应力强度因子和 # 积分是相关联的， 它们之间有着一定的内在关系。 参考文献：
$# 断裂参量数值计算的理论基础
56 5 # 应力强度因子数值计算的理论基础 在线弹性断裂力学中， 由于裂纹尖端的应力场的强弱程度主要由应力强度因子 " 这个参量来描述， 故 通过它可以建立 " 9 " #$ 的断裂准则， 来解决工程实际的断裂问题。 " 的大小与外载的性质、 裂纹及裂纹弹性体几何形状等因素有关的一个量， 写成通式是 " % & ! %（ ’ "， #）% & !， "， # 式中 ! 是与裂纹有关的几何形状因子， " 是裂纹承受的应力， # 是裂纹长度。 56 7 # ! 积分数值计算的理论基础 ! 积分是断裂力学中的一个重要概念， 其数值是一个与积分回路无关的常数， 即具有守恒性， 它也反映了 裂纹尖端的某种力学特性或应力应变场强度， 同时在分析中可能避开裂纹尖端这个难以直接严密分析的区 域。这里利用 ! 积分的定义来求解其值。
/0 1234 5 "64， 7%8 9:4; （ <:=3>?@:4? AB +:CD342C3E F4;24::>24; ， GD243 H42I:>J2?K AB +2424; 34L M:CD4AEA;K， N6ODA6 1234;J6 ..)PPQ ， GD243） <51 =.402： B>3C?6>: =3>3@:?:>J； J?>:JJ 24?:4J2?K B3C?A>； & 24?:;>3E； %&’(’ 8>2,4(*,： G3EC6E3?2A4 @:?DAL AB B>3C?6>: =3>3@:?:>J 24 %&’(’ 2J 24?>AL6C:LR MD: >:J6E?J JDAS ?D3? ?D: & 5 24?:;>3E 34L J?>:JJ 24?:4J2?K B3C?A> 3>: I3>23TE: S2?D ?D: C>3CU A>2:4?3?2A4 34L C>3CU E:4;?D >:J=:C?2I:EKR MD:J: =>AI2L: I3E2L @:?DAL BA> ?D: C3EC6E3?2A4 AB CA@=E:V C>3CUJ 64L:> CA@=E:V EA3LJR
ANSYS 断裂力学新功能之SMART自适应裂纹萌生分析
文章来源：安世亚太官方订阅号（搜索：Peraglobal）裂纹扩展是指材料在外界因素作用下裂纹萌生、生长的动态过程。
对于不考虑奇异性的裂纹扩展分析，需要定义准则来确定裂纹萌生的初始位置。
新版本中使用SMART（分离、变形、自适应和重划分网格技术）分析裂纹扩展时增加了最大主应力准则去评估裂纹萌生的时间和位置。
当满足该准则时，裂纹自动以椭圆的形状（目前只支持椭圆裂纹）和适当的尺寸插入到定义的裂纹区域，然后程序进行下一步的裂纹扩展计算。
以一个简单的demo来描述SMART自适应裂纹萌生分析的计算步骤:1、创建分析模型如图示紧凑拉伸试样，一端固定，上下圆孔给定100N拉力，预测产生I形裂纹，最大主应力位置在开口前沿。
图1 计算模型2、建立裂纹产生区域节点组件图示模型中选择最大主应力前沿一排节点作为裂纹产生区域的节点组件，并命名为CrkInitZone。
图2 裂纹产生区域节点组件3、对模型进行初步分析，最大主应力为61.5MPA，设定产生裂纹的临界主应力为60MPA图3 没有裂纹时分析，最大主应力云图4、在分析中插入如下命令流，定义裂纹产生准则和裂纹扩展计算选项!! 定义最大主应力作为裂纹萌生准则，注意单位制TB,CRKI,1TBDATA,1,60!! TB,CRKI,MAT_ID,NTEMP,NPTS!! TBDATA,1,Par1!!其中Par1是临界最大主应力值;CRKI,自适应裂纹萌生准则;MAT_ID材料编号!! 通过ADPCI（adaptive crack initiation）在裂纹产生区域节点组件自动生成椭圆裂纹ADPCI,DEFINE,1,CrkInitZone,1,ELLIPSE!! ADPCI,DEFINE,CIID,CompName,MAT_ID,CRACKGEOM!!其中CIID是ADPCI编号。
“CompName”为裂纹产生区域节点组件名称。
MAT_ID将临界值(通过TB、CRKI定义)与裂纹萌生数据记录连接起来。
断裂力学-ansys
第四章 断裂力学
4.1 断裂力学的定义
裂纹和缺陷会因为某些原因存在于许多结构和零部件中。可能是材料本身具有缺陷。裂纹可能 是制造过程产生的，也可能是后来由于环境因素产生的。裂纹和缺陷的存在能极大地降低构件在载 荷和环境作用中的完整性。
断裂力学使用应用力学的概念发展了对结构中存在裂纹尖端的应力与变形区的思路。对裂纹尖 端的应力与变形区深入的了解有助于发展结构的失效安全设计和安全寿命设计。基于断裂力学设计 的思想是广泛使用的，不是局限于核工业，航空航天，民用，和机械工程等领域。
PLANE182 PLANE183 SOLID185 PLANE186 PLANE187 J-积分计算支持如下材料属性： 线弹性 塑性 4.3.1.4 J-积分计算过程 ANSYS在求解器中通过子步计算J-积分，然后存储在结果文件中。 CINT命令用来计算J-积分，还用来设置运算所需要的不同的参数。 J-积分计算按如下步骤进行：
对于2-D 问题，在热应变不存在时，积分路径依赖于塑性应变、积分面上的体力和裂纹表面的 压力，域积分表示的J-积分公式为：
这里q是所谓的裂纹扩展矢量。q的方向是在裂纹尖端的局部坐标系的x轴 。q矢量在Γ曲线上为零 ， 并且在Γ曲线内部除中间节点（如果有，它们直接连接在Γ曲线上）的所有节点为单位矢量。ANSYS 引用这些节点单位矢量q作为虚拟裂纹扩展节点。
ansys断裂力学技巧
Ansys断裂力学裂纹和瑕疵在很多结构和零部件中会出现，有时会导致严重的后果。
断裂力学就是研究裂纹扩散问题的学科。
12.1 断裂力学的理解断裂力学就是解决结构在外载荷作用下，裂纹和瑕疵如何扩散的问题。
它包含裂纹扩散相应的解析预报和实验结果验证。
解析预报是通过断裂参数的计算得出的，如裂纹区域的应力强度因子，它可以用来评估裂纹的生长率。
最具典型的是，裂纹的长度随着一些循环载荷的每一次作用而增长，如飞机上机舱的增压-减压。
另外，环境的情况，如温度或光线的照射等，都会影响某些材料的断裂性能。
在研究中，断裂问题需重点研究的典型参数如下：●应力强度因子（K I, K II和K III），是断裂的三个基本形式。
●J-积分，是一种不受线路影响的线积分，用来测量裂纹端点的奇异应力和应变。
●能量释放率（G），它代表裂纹开始和终止处的能量的大小。
12.2 求解断裂力学问题求解断裂力学问题包括执行线弹性或弹塑性静态分析，以及使用专用的后处理命令或宏来计算需要的断裂参数。
此处分成两个部分来介绍：●裂纹区域的建模●计算断裂参数12.2.1裂纹区域的建模断裂模型中最重要的部分就是裂纹边界的部分。
在ansys中，在二维模型和三位模型中，分别将裂纹的边界看成是裂纹端点和裂纹前端。
如图12.1所示。
r是距离裂纹端点的长度。
裂裂纹面应该是重合纹端点处的应力和应变是奇异的，的，裂纹端点（或裂纹前端）附近的单元应该是二次的，即角点之间有中间节点。
这种单元被称为奇异单元。
12.2.1.1 二维断裂模型二维断裂模型的推荐单元类型是PLANE2，6节点的三角实体单元。
裂纹端点附近的单元的第一行是奇异的，如图12.2（a）所示。
前处理模块PREP7的命令(Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> Concentrat KPs> Create)可以定义某关键点附近的单元划分的大小，在断裂模型中特别有用。
01_断裂参数的数值计算方法_02
d 1.50 A dA
上式的左边是裂纹扩展单位面积时，整个受力系统释放的能量（弹性位 能），称为能量释放率，用G表示（I型裂纹用GI）：
GI A
它是与外载荷及结构形式（裂纹长度、形状、位置等）有关的一个力学 参数，量纲为N.m-1.从单位来看，它可以被看做裂纹扩展单位长度时所 需要的力，可看做企图驱动裂纹扩展的原动力，故又称作裂纹扩展力。 式1.50的右边是裂纹扩展单位面积所需要的表面能（又称表面张力）， 是与材料有关的参数，可看做是材料的常数，故称之为临界能量释放率 GIc。Leabharlann yy
y
2a
x
2a
x
图 1
图 2(a)
图 2(b)
U
U0
W
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐
5
方法一
对于图1所示的问题，我们可以把它看成是2(a)和图2(b)两种情况的 叠加。即图1可以看成在图2(a)的基础上，逐渐松弛裂纹处的应力（即叠 加图2(b)）而形成的。这是一个无裂纹到裂纹扩展为长度2a的过程。
若GI GIc , 裂纹不扩展
若GI GIc , 裂纹可能扩展 若GI GIc , 裂纹一定扩展
进一步思考可能 扩展时的情况！
脆性断裂判据数学表达 式为：GI GIc
Fracture Mechanics
华中科技大学船海学院 袁锐
4
断裂参数的数值计算方法
在线弹性断裂力学中，从能量的观点考察裂纹的扩展过程是研 究破坏机理的一条有效途径。如果裂纹扩展过程中系统所释放的能 量，足以提供裂纹扩展所需要的能量，则裂纹发生扩展。
利用ANSYS进行断裂分析
利用ANSYS进行断裂分析初次试做断裂分析，希望有这方面经验的高手能发表些经验之谈！这个模型由两种材料组成：表面镀层为铝,基底为钢。
目的是对表面镀层的剥离过程进行分析。
目前这个模型是个假想的简化模型，初步目标是实现剥离过程的模拟。
裂纹扩展是通过接触单元生死功能实现的。
基层和镀层由接触单元连接，然后通过断裂判断准则确定要杀死的失效的接触单元。
第一版(没有加断裂判断准则，强行逐个杀死界面接触单元)：fini/clear/filn,crack1/PREP7!*ET,1,PLANE182!*KEYOPT,1,1,2KEYOPT,1,3,1KEYOPT,1,4,0KEYOPT,1,6,0KEYOPT,1,10,0!*rect,0,100,0,100rect,0,100,100,110lesi,1,,,10lesi,2,,,10esha,2!*MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,210e3MPDATA,PRXY,1,,0.3MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,2,,70MPDATA,PRXY,2,,0.33amesh,1lesi,5,,,10lesi,6,,,2mat,2amesh,2lsel,s,,,3nsll,s,1cm,c1,nodelsel,s,,,5nsll,s,1cm,t1,nodensel,s,loc,xd,all,uxnsel,s,loc,yd,all,uyd,all,uxmp,mu,3,0/COM, CONTACT PAIR CREATION - START CM,_NODECM,NODECM,_ELEMCM,ELEMCM,_LINECM,LINECM,_AREACM,AREA/GSA V,cwz,gsav,,tempMP,MU,3,0MA T,3R,3REAL,3ET,2,169ET,3,172R,3,,,100,0.1,0,RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0,RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0.5RMORE,0,0.5,1.0,0.0,KEYOPT,3,2,0KEYOPT,3,3,0KEYOPT,3,4,0KEYOPT,3,5,0KEYOPT,3,7,0KEYOPT,3,8,0KEYOPT,3,9,0KEYOPT,3,10,0KEYOPT,3,11,0KEYOPT,3,12,5! Generate the target surfaceNSEL,S,,,T1CM,_TARGET,NODETYPE,2ESLN,S,0ESURF,ALLCMSEL,S,_ELEMCM! Generate the contact surfaceNSEL,S,,,C1CM,_CONTACT,NODETYPE,3ESLN,S,0ESURF,ALLALLSELESEL,ALLESEL,S,TYPE,,2ESEL,A,TYPE,,3ESEL,R,REAL,,3/PSYMB,ESYS,1/PNUM,TYPE,1/NUM,1EPLOTESEL,ALLESEL,S,TYPE,,2ESEL,A,TYPE,,3ESEL,R,REAL,,3CMSEL,A,_NODECMCMDEL,_NODECMCMSEL,A,_ELEMCMCMDEL,_ELEMCMCMSEL,S,_LINECMCMDEL,_LINECMCMSEL,S,_AREACMCMDEL,_AREACM/GRES,cwz,gsavCMDEL,_TARGETCMDEL,_CONTACT/COM, CONTACT PAIR CREATION - END lsel,s,,,7nsll,s,1cm,s1,node!Gradient surface loadSFGRAD,PRES,0,X,0,-0.1,sf,all,pres,-0.1nsel,allesel,all!save/solutime,1deltim,1,1,1solve/post1plns,s,1anty,,resttime,1.1ekill,140solve/post1plns,s,1/soluanty,,resttime,1.2ekill,140ekill,139solve/post1plns,s,1/soluanty,,resttime,1.3ekill,140ekill,139ekill,138solve/post1plns,s,1/soluanty,,resttime,1.4ekill,140ekill,139ekill,138ekill,137solve/post1plns,s,1第二版(加了断裂自动判断准则)。
补充材料一断裂力学ansys方法课件
断裂力学ANSYS方法的应用总结
断裂力学ANSYS方法在结构分析中具有广泛的应用，能够模拟复杂的断裂和损伤行 为，为工程设计和安全评估提供重要依据。
该方法在材料、机械、航空航天、土木工程等领域得到广泛应用，为解决实际工程 问题提供了有效的手段。
断裂力学ANSYS方法在模拟复杂断裂和损伤行为方面具有较高的精度和可靠性，但 也需要考虑模型的简化、边界条件的设置等因素对模拟结果的影响。
03
CATALOGUE
ANSYS软件介绍
ANSYS软件概述
01
全球领先的高级工程仿真软件
02 广泛应用于航空、航天、汽车、电子、材料、土 木等领域
03 提供结构、流体、热、电磁等多物理场仿真功能
ANSYS在断裂力学分析中的应用
模拟裂纹的萌生和扩展过程
1
2
评估材料的断裂韧性、应力强度因子等参数
预测结构的断裂行为和寿命
总结词：通过ANSYS软件对金属材料进行断裂 分析，研究其断裂行为和机理。
01
02
详细描述
建立金属材料的有限元模型，并进行网格 划分。
03
04
定义材料属性，包括弹性模量、泊松比和 断裂韧性等。
施加边界条件和载荷，模拟金属材料在不 同条件下的断裂行为。
05
06
分析断裂过程中应力、应变和位移等参数 的变化情况。
断裂力学在工程中的应用
航空航天
飞机和航天器的结构中存在许多裂纹，断裂力学的应用有助于提 高其安全性和可靠性。
船舶
船舶的结构和材料在海洋环境中容易受到腐蚀和损伤，断裂力学的 应用有助于提高其耐久性和安全性。
核能
核反应堆和核电站中的压力容器、管道等设备需要承受高温、高压 和放射性环境，断裂力学的应用有助于确保其安全运行。
ansys 5A05材料力学性能设置
ansys 5A05材料力学性能设置金属材料的力学性能指标分类：机械工程材料的常用性能：使用性能（力学、物理、化学）和工艺性能（加工、铸造、焊接）一、材料变形的过程三个阶段：弹性变形、弹塑性变形、断裂。
二、刚度定义：工程上，指构件或零件在受力时抵抗弹性变形的能力。
计算：等于材料弹性模量E与零构件截面积A的乘积。
弹性模量E：材料在弹性变形范围内，应力与应变成正比，其比值为弹性模量E=σ、ε（MPa）。
它表示的是材料抵抗弹性变形的能力，反映了材料发生弹性变形的难易程度。
二、强度、塑性、硬度，材料在静载荷下的性能指标1．强度定义：在外力作用下，材料抵抗变形或断裂的能力。
物理意义：材料在每个变形阶段的应力极限值。
（1）弹性极限σe材料在外力作用下发生纯弹性变形的最大应力值为弹性极限σe，即A点对应的应力值，表征材料发生微量塑性变形的抗力。
（2）屈服强度σ试样发生屈服现象时的应力值，屈服点S的应力值称为屈服强度σS，表征材料开始发生明显的塑性变形。
没有明显的屈服现象发生的材料，用试样标距长度产生0。
2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，用σ0。
2表示，称为条件屈服强度。
意义同σS。
（3）抗拉强度σb材料在拉伸载荷作用下所能承受的最大应力值σb称为抗拉强度或强度极限，表征材料的断裂抗力。
强度是零件设计和选材的主要依据。
2．塑性定义：材料在外力作用下，产生塑性变形而不破断的能力称为塑性。
指标：工程上常用延伸率δ和断面收缩率ψ作为材料的塑性指标。
材料的δ和ψ值越大，塑性越好。
3．硬度定义：指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是表征材料软硬程度的一种性能。
通常材料的强度越高，硬度也越高，耐磨性也越好。
硬度指标：与试验方法有关。
生产上，常用静载压入法，常用方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
布氏硬度HBS：淬火钢球压头，压痕大，不能测太硬度的材料，适用于测量退火和正火钢、铸铁、有色金属等材料的硬度。
洛氏硬度HRC：锥角为120°的金刚石圆锥体压头，适用于调质钢、淬火钢、渗碳钢等硬度的测量。
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ANSYS的断裂参数的计算1 引言断裂事故在重型机械中是比较常见的。
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还是常有断裂事故发生。
另一方面，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，典型的有解析法、边界配位法、有限单元法等。
对于工程上常见的受复杂载荷并包含不规则裂纹的构件，数值模拟分析是解决这些复杂问题的最有效方法。
本文以某一锻件中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可以表述为：(1)其中K是应力强度因子，r和θ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(2)应力强度因子和能量释放率的关系：G=K/E" (3)其中：G为能量释放率。
平面应变：E"=E/(1-v2)平面应力：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。
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。
场值得精确度取决于材料，几何和其他因素。
为了捕获到迅速变化的应力和变形场，在裂纹尖端区域需要网格细化。
对于线弹性问题，裂纹尖端附近的位移场与成正比，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之一边处。
这样的单元也称作为奇异单元。
图3 计算裂纹的常用单元如图所示，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。
围绕裂纹尖端第一行单元一定要是奇异的。
具体解释参见图3，利用前处理命令KSCON(Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> Concentrat KPs> 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。
它可以在裂纹尖端自动产生奇异单元。
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KⅠ，KⅡ和K Ⅲ。
(Main Menu>General Postproc> Nodal Calcs> Stress Int Factr)。
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必须按照以下步骤：1、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)并且y轴垂直于裂纹面。
图2给出了示意。
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]。
Utility Menu> WorkPlane> Local Coordinate Systems> Create Local CS> At Specified Loc2、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，沿裂纹面需有两个附加点，这两个点都沿裂缝面;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。
命令：PATH，PPATHGUI：Main Menu>General Postproc>Path Operations>Define Path3、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。
4 计算实例本文采用平板作为计算实例，材料为线弹性，板的厚度为0.003m，板长0.05m，板宽0.01m,弹性模量：2E11Pa,泊松比为0.3。
裂纹尖端采用plane183奇异单元，来划分裂纹尖端网格，如图5所示。
图6给出了模型的边界条件：平板的两端承受1e7pa的拉应力。
图7给出了裂纹尖端的等效应力云图，通过计算结果可知裂纹面的应力为低应力区，裂纹尖端存在应力集中。
图8给出了裂纹强度因子的计算结果，这个结果与理论值相比满足误差要求。
5 结论通过以上分析和计算可以得到以下结论：(1)ANSYS提供了断裂计算的能力，并且可以提供较准确的计算结果(2)ANSYS的裂纹奇异单元可以很好的反映出裂纹尖端的奇异性。
说明：本信息1 引言断裂事故在重型机械中是比较常见的。
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还是常有断裂事故发生。
另一方面，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，典型的有解析法、边界配位法、有限单元法等。
对于工程上常见的受复杂载荷并包含不规则裂纹的构件，数值模拟分析是解决这些复杂问题的最有效方法。
本文以某一锻件中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可以表述为：(1)其中K是应力强度因子，r和θ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(2)应力强度因子和能量释放率的关系：G=K/E" (3)其中：G为能量释放率。
平面应变：E"=E/(1-v2)平面应力：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。
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。
场值得精确度取决于材料，几何和其他因素。
为了捕获到迅速变化的应力和变形场，在裂纹尖端区域需要网格细化。
对于线弹性问题，裂纹尖端附近的位移场与成正比，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之一边处。
这样的单元也称作为奇异单元。
图3 计算裂纹的常用单元如图所示，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。
围绕裂纹尖端第一行单元一定要是奇异的。
具体解释参见图3，利用前处理命令KSCON(Main Menu> Preprocessor> Meshing> Size Cntrls> Concentrat KPs> 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。
它可以在裂纹尖端自动产生奇异单元。
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KⅠ，KⅡ和K Ⅲ。
(Main Menu>General Postproc> Nodal Calcs> Stress Int Factr)。
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必须按照以下步骤：1、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)并且y轴垂直于裂纹面。
图2给出了示意。
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]。
Utility Menu> WorkPlane> Local Coordinate Systems> Create Local CS> At Specified Loc2、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，沿裂纹面需有两个附加点，这两个点都沿裂缝面;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。
命令：PATH，PPATHGUI：Main Menu>General Postproc>Path Operations>Define Path3、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。
4 计算实例本文采用平板作为计算实例，材料为线弹性，板的厚度为0.003m，板长0.05m，板宽0.01m,弹性模量：2E11Pa,泊松比为0.3。
裂纹尖端采用plane183奇异单元，来划分裂纹尖端网格，如图5所示。
图6给出了模型的边界条件：平板的两端承受1e7pa的拉应力。