补充材料一 断裂力学ansys方法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
或是整体裂纹模型。 命令：KCALC GUI: Main Menu>General Postproc>Nodal Calcs>Stress Int Factr
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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：
源自文库
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints > In Active CS
J dy t x u x / x t y u y / x ds
x nx xy n y
y n y xy nx
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 10.计算TX,TY • 命令：PCALC • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Operation
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
J积分的计算在ANSYS中的General Postproc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：
计算应变能 读入结果 定义积分路径 绘制应变能密度 对 Y轴 积 分
绘制路径应力分量 和定义路径法向量
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15~30度的角度。所有单元的边（包括
裂纹前缘）都应该是直线。
September 30, 2003 Structural Nonlinearities
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
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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+Δa，如果两种情况下的位能被存储， 则：
• 11.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 u x / x, u y / y 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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 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（UX2UX1)/DX和(UY2-UY1)/DX, 它就分别代表 u x / x, u y / x • 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。
G U a a U a Ba
• 其中B是断裂模型的厚度。 • 在第二次分析中，把裂纹扩展Δa，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。 • Main Menu>Peoprocessor>Modeling-Operate>Scale • 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Δa， 一般应取裂纹长度的0.5%～2%。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 4.定义积分线路径 • 命令：PATH • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Define Path
• 5.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：PDEF • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Map onto Path
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 8.将应力分量SX,SY,SXY映射到积分路径上 • 命令：PDEF • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Map onto Path
• 9.定义路径法向量 • 命令：PVECT • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Unit Vector
K
、 K 、K
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
，该命令仅适用于在裂纹区域附近具有均
活的局部坐标系(模型坐标系和结果坐标系)。
GUI: Utility Menu>Workplane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>AT Specified Loc
移随 r
1 2
而变化，r是裂纹尖端到该点的距离，裂纹顶端处的应力
1 2
和应变是奇异的，随r
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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
3、计算 K 、
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
K 和 K ,KCALC命令中的KPLAN区域指定模
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，
3D-断裂模型
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
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（ Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Shape&Size >-Concentrat
KPs-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
2、建立直线,如图所示。 GUI:Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines> Lines>straight line
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
3、通过线产生面。 GUI: Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas >Arbitrary>By Lines
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
实例 step by step
如图所示薄平板，100mmX100mmX10mm，长条板有单边裂纹 ，裂纹长度为a=20 mm，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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 6.对总体Y轴积分 • 命令：PCALC • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Integrate
• 7.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,,Last • GUI:Main Menu>Parameters>Get Scalar Data
二、定义单元类型和材料属性
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30~40度角度，最好是等腰三角形。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
计算 t x 和 t y
计算
u x x
和
u y y
计算第二项积分
求 和 计 算 J积 分
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
二维模型计算J积分的步骤
• 1.读入所要的结果 • 命令SET • GUI:Main Menu>General Postproc>Last Set • 2.存储每个单元的应变能和体积 • 命令：ETABLE • GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table> • Define Table • 3.计算每个单元的应变能密度 • 命令：SEXP • GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table> • Exponentiate
断裂力学 的ANSYS求解技术
September 30, 1998
- Release 5.5 (0011)
断裂参数
1、应力强度因子K
2、J积分 3、能量释放率G
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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: Main Menu>General Postproc>Path Operation>Define Path
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
在线弹性问题中，在裂纹顶端附近（或裂纹前缘）某点的位
其中， 围绕裂纹顶端的积分路径 应变能密度 tx 设X轴的拉力向量= x nx xy n y ty 设Y轴的拉力向量= n n y y xy x 应力分量 n 路径 的外法向线分量 u 位移向量 s 路径 的距离
J dy t x u x / x t y u y / x ds
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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：
源自文库
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints > In Active CS
J dy t x u x / x t y u y / x ds
x nx xy n y
y n y xy nx
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 10.计算TX,TY • 命令：PCALC • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Operation
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
J积分的计算在ANSYS中的General Postproc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：
计算应变能 读入结果 定义积分路径 绘制应变能密度 对 Y轴 积 分
绘制路径应力分量 和定义路径法向量
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15~30度的角度。所有单元的边（包括
裂纹前缘）都应该是直线。
September 30, 2003 Structural Nonlinearities
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
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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+Δa，如果两种情况下的位能被存储， 则：
• 11.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 u x / x, u y / y 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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 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（UX2UX1)/DX和(UY2-UY1)/DX, 它就分别代表 u x / x, u y / x • 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。
G U a a U a Ba
• 其中B是断裂模型的厚度。 • 在第二次分析中，把裂纹扩展Δa，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。 • Main Menu>Peoprocessor>Modeling-Operate>Scale • 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Δa， 一般应取裂纹长度的0.5%～2%。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 4.定义积分线路径 • 命令：PATH • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Define Path
• 5.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：PDEF • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Map onto Path
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 8.将应力分量SX,SY,SXY映射到积分路径上 • 命令：PDEF • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Map onto Path
• 9.定义路径法向量 • 命令：PVECT • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Unit Vector
K
、 K 、K
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
，该命令仅适用于在裂纹区域附近具有均
活的局部坐标系(模型坐标系和结果坐标系)。
GUI: Utility Menu>Workplane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>AT Specified Loc
移随 r
1 2
而变化，r是裂纹尖端到该点的距离，裂纹顶端处的应力
1 2
和应变是奇异的，随r
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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
3、计算 K 、
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
K 和 K ,KCALC命令中的KPLAN区域指定模
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，
3D-断裂模型
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
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（ Main Menu>Preprocessor>-Meshing-Shape&Size >-Concentrat
KPs-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
2、建立直线,如图所示。 GUI:Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines> Lines>straight line
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
3、通过线产生面。 GUI: Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas >Arbitrary>By Lines
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
实例 step by step
如图所示薄平板，100mmX100mmX10mm，长条板有单边裂纹 ，裂纹长度为a=20 mm，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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
• 6.对总体Y轴积分 • 命令：PCALC • GUI:Main Menu>General Postproc>Path Operations> • Integrate
• 7.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,,Last • GUI:Main Menu>Parameters>Get Scalar Data
二、定义单元类型和材料属性
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30~40度角度，最好是等腰三角形。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
计算 t x 和 t y
计算
u x x
和
u y y
计算第二项积分
求 和 计 算 J积 分
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
二维模型计算J积分的步骤
• 1.读入所要的结果 • 命令SET • GUI:Main Menu>General Postproc>Last Set • 2.存储每个单元的应变能和体积 • 命令：ETABLE • GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table> • Define Table • 3.计算每个单元的应变能密度 • 命令：SEXP • GUI: Main Menu>General Postproc>Element Table> • Exponentiate
断裂力学 的ANSYS求解技术
September 30, 1998
- Release 5.5 (0011)
断裂参数
1、应力强度因子K
2、J积分 3、能量释放率G
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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: Main Menu>General Postproc>Path Operation>Define Path
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
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。
September 30, 2003
Structural Nonlinearities
在线弹性问题中，在裂纹顶端附近（或裂纹前缘）某点的位
其中， 围绕裂纹顶端的积分路径 应变能密度 tx 设X轴的拉力向量= x nx xy n y ty 设Y轴的拉力向量= n n y y xy x 应力分量 n 路径 的外法向线分量 u 位移向量 s 路径 的距离
J dy t x u x / x t y u y / x ds