计算应力强度因子实例

《ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析第3版》连载14
发表时间：2012-5-16 作者: 张朝辉来源: 机械工业出版社
关键字: ANSYS 复合材料结构分析
本文是《ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析第3版》连载。

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8.2 结构断裂分析实例详解——二维断裂问题
8.2.1 问题描述
图8.5所示为一断裂试样结构示意图，厚度为5mm，试计算其应力强度因子。

试样材料参数：弹性模量E=220GPa；泊松比n=0.25；载荷P=0.12MPa
8.2.2 问题分析
由于长度和宽度方向的尺寸远大于厚度方向的尺寸，且所承受的载荷位于长宽方向所构成的平面内，所以该问题满足平面应力问题的条件，可以简化为平面应力问题进行求解。

根据对称性，取整体模型的1/2建立几何模型；选择六节点三角形单元PLANE183模拟加载过程；
先进行普通结构分析求解，再采用特殊的后处理命令计算断裂参数。

8.2.3 求解步骤
1.定义工作文件名和工作标题
1）选择Utility Menu︱ Jobname命令，出现Change Jobname对话框，在［/FILNAM］ Enter new jobname 文本框中输入工作文件名EXERCISE1，单击OK按钮关闭该对话框。

2）选择Utility Menu︱ Title命令，出现Change Title对话框，在文本框中输入
ANALYSIS OF THE STRESS INTENSITY FACTOR，单击OK按钮关闭该对话框。

2.定义单元类型
1）选择Main Menu︱Preprocessor︱Element Type︱Add/Edit/Delete命令，出现Element Types对话框，单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框。

2）在Library of Element Types列表框中选择Structural Solid︱Quad 8node 183，在
Element type reference number文本框中输入1，如图8.6所示，单击OK按钮关闭该对话框。

3）单击Element Types对话框上的Options按钮，出现PLANE183 element type options对话框，在Element behavior K3下拉列表中选择Plane strs w/thk，其余选项采用默认设置，如图8.7所示，单击OK 按钮关闭该对话框。

4）单击Element Types对话框上的Close按钮，关闭该对话框。

5）选择Main Menu︱Preprocessor︱Real Constants︱Add/Edit/Delete命令，出现Real Constants对话框，单击Add按钮，出现Element Type for Real Constants对话框，单击OK按钮，出现
Real Constants Set Number 2，for PLANE183对话框，在Real Constant Set No. 文本框中输入1，在Thickness THK文本框中输入5，如图8.8所示，单击OK按钮关闭该对话框。

6）单击Real Constants对话框上的Close按钮关闭该对话框，
3.定义材料性能参数
1）选择Main Menu︱Preprocessor︱Material Props︱Material Models命令，出现
Define Material Model Behavior对话框。

2）在Material Models Available一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，出现Linear Isotropic Propeties for Material Number 1对话框，在EX文本框中输入2.2E5，在PRXY文本框中输入0.25，单击OK按钮关闭该对话框。

3）在Define Material Model Behavior对话框上选择Material︱Exit命令，关闭该对话框。

4.创建几何模型、划分网格
1）选择Utility Menu︱PlotCtrls︱Numbering命令，出现Plot Numbering Controls对话框，选择
KP Keypoint numbers、LINE Line numbers和AREA Area numbers选项，使其状态从Off变为On，单击OK按钮关闭该对话框。

2）选择Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Create︱Keypoints︱In Active CS命令，出现
Create Keypoints In Active Coordinate System对话框，在NPT Keypoint nuber文本框中输入1，在
X,Y,Z Location in active CS文本框中分别输入50，0，0，如图8.9所示，单击OK按钮关闭该对话框。

3）参照上一步的操作过程，依次在ANSYS显示窗口生成以下关键点编号及坐标：
2（100，0，0）；3（100，60，0）；4（-25，60，0）；5（-25，0，0）。

责任编辑：赵栋
4）选择Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Create︱Lines︱Lines︱Straight Line命令，出现Create Straight拾取菜单，用鼠标在ANSYS显示窗口依次选择编号为1、2，2、3，3、4，4、5，5、1的关键点生成5条线段，单击OK按钮关闭该菜单。

5）选择Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Create︱Areas︱Arbitrary︱By Lines命令，出现Create Area by L拾取菜单，在文本框中输入5，1，2，3，4，单击OK按钮关闭该菜单。

6）选择Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Create︱Areas︱Circle︱Solid Circle命令，出现
Solid Circle Area对话框，在WP X文本框中输入0，在WP Y文本框中输入27.5，在Radius文本框中输入12.5，如图8.10所示，单击OK按钮关闭该对话框。

7）选择Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Operate︱Booleans︱Subtract︱Areas命令，出现Subtract Areas拾取菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮；在文本框中输入2，单击OK按钮关闭该菜单。

8）选择Main Menu︱Preprocessor︱Numbering Ctrls︱Compress Numbers命令，出现
Compress Numbers对话框，在Label Item to be compressed下拉列表中选择Areas，单击OK按钮关闭该对话框。

9）选择Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱Concentrat KPs︱Create命令，出现Concentration Keypoint拾取菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮，出现Concentration Keypoint对话框，参照图8.11对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。

10）选择Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Size Cntrls︱ManualSize︱Global︱Size命令，出现Global Element Sizes对话框，在SIZE Element edge length文本框中输入3，其余选项采用默认设置，如图8.12所示，单击OK按钮关闭该对话框。

11）选择Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱Mesh︱Areas︱Free命令，出现Mesh Areas拾取菜单，单击Pick All按钮关闭该菜单。

12）选择Utility Menu︱Plot︱Elements命令，ANSYS显示窗口将显示网格划分结果，如图8.13所示。

13）选择Utility Menu︱ as命令，出现Save Database 对话框，在Save Database to文本框中输入EXERCISE11.db，保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。

5.加载求解
1）选择Main Menu︱Solution︱Analysis Type︱New Analysis命令，出现New Analysis对话框，选择分析类型为Static，单击OK按钮关闭该对话框。

2）选择Utility Menu︱Plot︱Lines命令，显示所有线段。

3）选择Utility Menu︱Select︱Entities命令，出现Select Entities对话框，在第1个下拉列表中选择Lines，在第2个下拉列表中选择By Num/Pick，在第3栏中选择From Full单选项，如图8.14a所示。

单击OK
按钮，出现Select Lines拾取菜单，在文本框中输入1，单击OK按钮关闭该菜单。

4）选择Utility Menu︱Select︱Entities命令，出现Select Entities对话框，在第1个下拉列表中选择Nodes，在第2个下拉列表中选择Attached to，在第3栏中选择Line,all单选项，在第4栏中选择From Full单选项，如图8.14b所示，单击OK按钮关闭该对话框。

责任编辑：赵栋
5）选择Main Menu︱Solution︱Define Loads︱Apply︱Structural︱Displacement︱On Nodes命令，出现Apply U，ROT on Nodes拾取菜单，单击Pick All按钮，出现Apply U,ROT on Nodes对话框，在
Lab2 DOFs to be contrained列表框中选择UY，在Apply as下拉列表中选择Constant value，在VALUE Displacement value文本框中输入0，如图8.15所示，单击OK按钮关闭该对话框。

6）选择Utility Menu︱Select︱Everything命令，选择所有实体。

7）选择Main Menu︱Solution︱Define Loads︱Apply︱Structural︱Pressure︱On Lines命令，出现Apply PRES on Lines拾取菜单，在文本框中输入6，单击OK按钮，出现Apply PRES on Lines对话框，在［SFL］ Apply PRES on lines as a下拉菜单中选择Constant value，在VALUE Load PRES value文本框中输入0，在Value文本框中输入0.12，如图8.16所示，单击OK按钮关闭该对话框。

8）选择Main Menu︱Solution︱Define Loads︱Apply︱Structural︱Pressure︱On Lines命令，出现Apply PRES on Lines拾取菜单，在文本框中输入7，单击OK按钮，出现Apply PRES on Lines对话框，在［SFL］ Apply PRES on lines as a下拉列表中选择Constant value，在VALUE Load PRES value文本框中输入0.12，在Value文本框中输入0，单击OK按钮关闭该对话框。

9）选择Utility Menu︱WorkPlane︱Local Coordinate Systems︱Create Local CS︱At Specified Location 命令，出现Create CS at Location拾取菜单，在文本框中输入50，0，0，单击OK按钮，出现
Create Local CS at Specified Location对话框，参照图8.17对其进行设置，单击OK按钮关闭该对话框。

10）选择Main Menu︱Solution︱Solve Current LS命令，出现Solve Current Load Step对话框，单击OK按钮，ANSYS开始求解计算。

11）求解结束时，出现Note提示框，单击Close按钮关闭该对话框。

12）选择Utility Menu︱ as命令，出现Save Database 对话框，在Save Database to文本框中输入EXERCISE12.db，保存求解结果，单击OK按钮关闭该对话框。

6.查看求解结果
1）选择Main Menu︱General Postproc︱Plot Results︱Contour Plot︱Nodal Solu命令，出现
Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择Nodal Solution︱
DOF Solution︱Displacement vector sum，单击OK按钮，ANSYS窗口将显示如图8.18所示的合位移等值线图。

2）选择Main Menu︱General Postproc︱Plot Results︱Contour Plot︱Nodal Solu命令，出现
Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择Nodal Solution︱Stress︱von Mises stress，单击OK按钮，ANSYS窗口将显示如图8.19所示的等效应力等值线图。

3）选择Main Menu︱General Postproc︱List Results︱Reaction Solu命令，出现List Reaction Solution 对话框，在Lab Item to be listed列表框中选择All items，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将列表显示支反力结果，如图8.20所示。

责任编辑：赵栋
4）选择Main Menu︱General Postproc︱Path Operations︱Define Path︱By Nodes命令，出现By Nodes 拾取菜单，在文本框中输入2，35，33，单击OK按钮，出现By Nodes对话框，在Name Define Path Name: 文本框中输入DF，其余选项采用默认设置，如图8.21所示，单击OK按钮关闭该对话框。

5）选择Main Menu︱General Postproc︱Path Operations︱Define Path︱Path Status︱Current Path命令，ANSYS显示窗口将显示当前路径，如图8.22所示。

6）选择Main Menu︱General Postproc︱Nodal Calcs︱Stress Int Factr命令，出现Stress Intensity Factor 对话框，参照图8.23对其进行设置，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示应力强度因子计算结果，如图8.24所示。

7）选择Utility Menu︱命令，出现Exit from ANSYS对话框，选择Quit－No Save!选项，单击OK按钮，关闭ANSYS。

8.2.4 命令流
/FILNAME，EXERCISE1 ！定义工作文件名
/TITLE，ANALYSIS OF THE STRESS INTENSITY FACTOR
！定义工作标题
/PREP7 ！进入前处理器
ET，1，PLANE183 ！指定单元类型
KEYOPT，1，3，3 ！设置单元关键字
R，1，5 ！定义单元实常数
MP，EX，1，2.2E5 ！输入弹性模量
MP，PRXY，1，0.25 ！输入泊松比
/PNUM，KP，1 ！显示关键点编号
/PNUM，LINE，1 ！显示线段编号
/PNUM，AREA，1 ！显示面编号
K，1，50 ！生成关键点
K，2，100
K，3，100，60
K，4，-25，60
K，5，-25
L，1，2 ！生成线段
L，2，3
L，3，4
L，4，5
L，5，1
AL，5，1，2，3，4 ！由线段生成面
CYL4，0，27.5，12.5 ！生成圆面
ASBA，1，2 ！面相减操作
NUMCMP，AREA ！压缩面编号
KSCON，1，5，1，10，0.75 ！定义裂纹尖端ESIZE，3，0 ！定义单元尺寸
MSHKEY，0
AMESH，1 ！对面进行网格划分
/TITLE，ELEMENTS IN MODEL
EPLOT ！显示单元
FINISH
/SOLU ！进入求解器
ANTYPE，STATIC
LPLOT ！显示线段
LSEL，S，，，1 ！选择线段
NSLL，S，1 ！选择线段上的所有节点
D，ALL，UY ！施加位移载荷
ALLSEL ！选择所有实体
SFL，6，PRES，0，0.12 ！在线段上施加压力载荷SFL，7，PRES，0.12，0
LOCAL，11，0，50，0，0，，，，1，1 ！创建局部坐标系SOLVE ！开始求解计算
FINISH
/POST1 ！进入POST1后处理器PLNSOL，U，SUM ！绘制合位移等值线图PLNSOL，S，EQV ！绘制等效应力等值线图PRRSOL ！列表显示支反力求解结果PATH，DF，3，30，20 ！定义路径
PPATH，1，2 ！设置路径点
PPATH，2，35
PPATH，3，33
PDEF，STAT ！显示当前路径
KCALC，1，1，0，0 ！计算应力强度因子
FINISH
/EXIT，ALL ！退出ANSYS
责任编辑：赵栋。