基于XFEM技術(shù)模擬二維平板疲勞裂紋擴展-Abaqus軟件

2017-05-05  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

利用Abaqus軟件做材料的疲勞裂紋擴展的模擬分析,早在2009年就已經(jīng)在SIMWE論壇上看到有人發(fā)布相關(guān)的例子了,但是沒有說出來具體CAE操作流程,雖然有inp文件,但是文件中某些關(guān)鍵詞在CAE模塊中并不支持,所以對于新手小白來說,想要做出疲勞裂紋的擴展,有點難度。本人兩個月前開始接觸疲勞裂紋的模擬,先前是一直在做靜載荷條件下的裂紋擴展,兩者都是利用XFEM技術(shù),后者的教程在網(wǎng)上較多,但是前者的教程,就像前面提到的,少之又少。

同時,在Abaqus的幫助手冊里,同樣可以找到關(guān)于基于XFEM技術(shù)模擬低周循環(huán)載荷下,疲勞裂紋的擴展的相關(guān)例子,提供了inp文件,附在本文的最后,有需要的朋友可以下載來看看,也可以自己到幫助手冊里找找出處。

好的,說了這么多,現(xiàn)在開始正式進入本篇教程的干貨內(nèi)容,基于本人也是還在新人階段,此分析模擬是源自于幫助手冊中的例子,但是邊界條件與手冊中有所差別,所以教程中有疏漏或者出錯的地方,還請各位朋友,注意鑒別,提出指正批評。

【例子背景信息】一塊3X3m的二維平板的頂部與底部受到方向相反的循環(huán)變化載荷,頂部受到峰值為8X10-5m位移載荷,底部受到峰值為-8X10-5m位移載荷,二維平板存在一條長度為0.3m的預制裂紋,位置如下面模型圖所示。采用Direct cyclic分析步,實現(xiàn)受載過程的分析。

【模型信息】一塊二維平板的幾何信息和材料的參數(shù)、初始損傷判據(jù)和演化準則、分析步以及載荷邊界條件設(shè)置如下圖所示:

【cae操作步驟】

1. 首先先建立一個二維平板和初始裂紋的幾何模型,在Part模塊中操作:

   

   
   

   
   

   (1)二維平板幾何模型:如圖1所示,進入CAE界面后,點擊

   
   create part,進入create part的編輯界面,為二維平板幾何模型命名為plate,選擇2D Planar(即此模型為二維模型),Deformable可變形的Shell模型,因為我們的二維平板規(guī)格為3X3m,一般
   
   的輸入值為模型最大尺寸的5-10倍左右較為合適,所以我選擇輸入值為20作為大約尺寸。點擊continue,進入畫圖界面,點擊
   
   按鈕,以對角點兩點建立矩形,我們在
   
   坐標輸入框中輸入二維平板幾何模型的兩點對角點,首先輸入(-3,-3)【不用輸入括號】,按回車鍵完成一點輸入,再輸入第二點(3,3)【不用輸入括號】,按回車完成第二點輸入,最后點擊一下鼠標中鍵完成二維平板幾何模型的建立。

   
   

   (2)初始裂紋幾何模型:如圖2所示,點擊

   
   create part,進入create part的編輯界面,為初始裂紋幾何模型命名為initial crack,選擇2D Planar(即此模型為二維模型),Deformable可變形的wire模型,因為我們的二維平板規(guī)格為3X3m,一般
   
   的輸入值為模型最大尺寸的5-10倍左右較為合適,所以我選擇輸入值為20作為大約尺寸。點擊continue,進入畫圖界面,點擊
   
   按鈕,以兩點建立一條直線,我們在
   
   坐標輸入框中輸入裂紋的兩個端點,首先輸入(-3,0)【不用輸入括號】,按回車鍵完成一點輸入,再輸入第二點(-2.7,0)【不用輸入括號】,按回車完成第二點輸入,最后點擊一下鼠標中鍵完成初始裂紋幾何模型的建立。

   
   

   
   

   
   

   
   圖1 圖2
   

   
   

   
   

2. 進入裝配Assembly模塊

   
   ,對二維平板與初始裂紋幾何模型進行裝配。

   
   

   首先點擊

   
   creat instance,創(chuàng)建裝配體,進入編輯界面,按住Shift鍵,選擇剛剛建立的plate和initial crack部件模型,其他得接受默認選項,點擊OK,完成二維平板模型的裝配,如圖3所示。

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   
   

   圖4

3.創(chuàng)建材料以及損傷判據(jù)準則,首先進入

creat material創(chuàng)建材料,進入編輯界面,點擊mechanical中的elasticity中的elastic,輸入楊氏模量young’s modulus,輸入值為210e9,泊松比0.3;再從mechanical中選擇Damage for traction-separation中的maxps最大主應力準則作為材料的初始損傷判據(jù),在max principal stress中輸入值為8.44e7pa,再點擊 中的Damage evolution建立材料的損傷演化準則,在type中選擇energy,在softening中選擇linear,mixed mode behavior中選擇power law作為計算斷裂能釋放率的公式,并勾選power,輸入值為1,代表指數(shù)為1(詳情請查閱幫助手冊中的power law公式),最后在三個類型的斷裂能輸入值為42200;再點擊 中的Damage stabilization cohesive,輸入粘性參數(shù)為5e-5,為了促進結(jié)果的收斂。

圖5

4. 創(chuàng)建截面并指配截面,點擊

creat section創(chuàng)建截面,進入到編輯界面,選擇solid中的homogeneous,點擊OK創(chuàng)建界面成功;第二步,點擊 assign section指配截面,再點擊二維平板模型,按鼠標中鍵,完成截面的指配,完成后,二維平板模型呈綠色。

圖6

5. 劃分網(wǎng)格,首先進入mesh模塊

,要注意因為我們在之前在assembly選擇是mesh on part,所以要選擇 按邊進行播種,按住shift鍵,并選中plate的四條邊,點擊鼠標中鍵,進入編輯界面,選擇by number按照種子數(shù)量的方式進行播種,種子的數(shù)量為59(這里選擇為基數(shù)的原因是必須要保證xfem初始裂紋的位置位于網(wǎng)格的內(nèi)部,而不能再網(wǎng)格的邊界上,否則會影響裂紋擴展的準確性,其根據(jù)各位可以去考究,本人是從網(wǎng)上找到的信息,出處不詳,歡迎補充),點擊ok完成種子播種。

然后點擊

assign mesh control,指定劃分網(wǎng)格的技術(shù),進入編輯界面,選擇quad全部為四邊形,structured,點擊OK;再點擊 assign element type指定網(wǎng)格類型,進入編輯界面,在單元族family里選擇plain strain平面應變類型,其他的接受默認設(shè)置,點擊OK,最后的網(wǎng)格代號為CPE4。最后點擊

圖7

6. 設(shè)置接觸條件,建立XFEM初始裂紋以及定義斷裂準則(這一步非常關(guān)鍵)。

首先進入到interaction模塊

,找到special選項里的crack,點擊creat創(chuàng)建裂紋,選擇XFEM,點擊OK后,首先先點擊裂紋所在的區(qū)域,也就是點擊本例子中的plate,然后進入編輯界面,勾選crack location,然后點擊旁邊的箭頭,選擇我們裝配好的裂紋線,再勾選specify contact property,因為還沒有建立接觸屬性,所以我們可以點擊編輯界面里的 來創(chuàng)建一個接觸屬性,進入contact property的編輯界面,我們只需要創(chuàng)建一個normal behavior,此選項可在mechanical里找到,參數(shù)設(shè)置如下圖,創(chuàng)建完點OK,回到XFEM crack的編輯界面,選擇剛剛創(chuàng)建的contact property后,點擊OK,完成XFEM 初始裂紋的創(chuàng)建。

圖8

接著,點擊

creat interaction創(chuàng)建接觸,進入編輯界面,選擇XFEM growth,點擊OK完成創(chuàng)建接觸?，F(xiàn)在最關(guān)鍵一步是要在key words里輸入Fracture criterion斷裂準則的參數(shù)設(shè)置(這一步本可以在contact property里設(shè)置,但是由于其中一項類型是選擇為fatigue,而cae界面里沒有此選項看,只有VCCT,所以這一步必須在key words輸入,值得一提不要貪方便把全部的contact property都在key words輸入,本人原來就連同normal behavior也一起在key words輸入,所以最后裂紋始終沒有擴展,原因應該必須要在XFEM crack指配一個接觸性能),key words的輸入請看圖,在左邊樹形圖的model點擊右鍵,選擇edit keywords,進入編輯界面,詳情如圖,具體數(shù)值定義,請自己考究。

圖9

7. 進入到step模塊,點擊

creat step創(chuàng)建分析步,設(shè)置詳情請看圖(打字實在太累)。

圖10

在field output里找到

這兩項勾上,必須要這兩項輸出才能觀察到裂紋的擴展狀態(tài),如果想要輸入頻率高一點的話呢,可以把frequency改成50(歷程輸出和場輸出都改).

圖11

為了改善結(jié)果的收斂,可以在other選項中,general solution control中edit一下step-1,進入編輯界面,如圖設(shè)置。在下圖中time incrementation下一個選項more中的IA數(shù)值改為50.

圖12

8. 進入Load模塊,建立邊界條件以及幅值曲線載荷,首先建立初始邊界條件,點擊

創(chuàng)建邊界條件,進入編輯界面,step選擇initial,然后選擇mechanical中的displacement/rotation,如圖,點擊continue,選擇plate的上下兩條邊,固定x方向,也就是只勾選U1,點擊ok完成初始邊界條件創(chuàng)建。

圖13

再點擊

創(chuàng)建step-1的位移載荷邊界條件,同上,在step中選擇step-1,然后選擇mechanical中的displacement/rotation,點擊continue,選擇plate頂部那條邊,進入編輯界面,如圖,其中要為位移載荷指配創(chuàng)建一個幅值曲線(實現(xiàn)載荷的周期變化),如圖點擊 ,進行如圖參數(shù)設(shè)置(具體意義請自己考究),創(chuàng)建完幅值曲線并指定好后,點擊OK,完成頂部邊的載荷定義,重復上述操作為底部邊設(shè)置方向相反,大小相同的位移載荷。

9. 進入JOB,提交任務,等待計算完成,進入result觀察裂紋擴展情況。

PS:終于尼瑪寫完了,可能有些寫的不清楚,歡迎大家留言,也希望各位大牛批評指正,補充完善,為廣大學習者提供更為全面的學習信息。

給大家看看我的裂紋擴展結(jié)果,inp文件和cae文件有時間再上傳。

在此提出聲明,本文原創(chuàng),轉(zhuǎn)載或者作他用,請與本人聯(lián)系,如有發(fā)現(xiàn)沒有聯(lián)系我就轉(zhuǎn)載,我會追究法律責任,作者網(wǎng)名羅秀電影院。

原文連接:http://www.jishulink.com/content/post/325487

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