基于XFEM技術(shù)模擬二維平板疲勞裂紋擴(kuò)展-Abaqus軟件

2017-05-05  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

利用Abaqus軟件做材料的疲勞裂紋擴(kuò)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(shuō)出來(lái)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(duì)于新手小白來(lái)說(shuō),想要做出疲勞裂紋的擴(kuò)展,有點(diǎn)難度。本人兩個(gè)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(kuò)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(shí),在Abaqus的幫助手冊(cè)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(kuò)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(lái)看看,也可以自己到幫助手冊(cè)里找找出處。

好的,說(shuō)了這么多,現(xiàn)在開始正式進(jìn)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(cè)中的例子,但是邊界條件與手冊(cè)中有所差別,所以教程中有疏漏或者出錯(cuò)的地方,還請(qǐng)各位朋友,注意鑒別,提出指正批評(píng)。

【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(zhǎng)度為0.3m的預(yù)制裂紋,位置如下面模型圖所示。采用Direct cyclic分析步,實(shí)現(xiàn)受載過(guò)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(zhǔn)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(gè)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(jìn)入CAE界面后,點(diǎn)擊

   
   create part,進(jìn)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?yàn)槲覀兊亩S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(diǎn)擊continue,進(jìn)入畫圖界面,點(diǎn)擊
   
   按鈕,以對(duì)角點(diǎn)兩點(diǎn)建立矩形,我們?cè)?
   
   坐標(biāo)輸入框中輸入二維平板幾何模型的兩點(diǎn)對(duì)角點(diǎn),首先輸入(-3,-3)【不用輸入括號(hào)】,按回車鍵完成一點(diǎn)輸入,再輸入第二點(diǎn)(3,3)【不用輸入括號(hào)】,按回車完成第二點(diǎn)輸入,最后點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)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(diǎn)擊

   
   create part,進(jìn)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?yàn)槲覀兊亩S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(diǎn)擊continue,進(jìn)入畫圖界面,點(diǎn)擊
   
   按鈕,以兩點(diǎn)建立一條直線,我們?cè)?
   
   坐標(biāo)輸入框中輸入裂紋的兩個(gè)端點(diǎn),首先輸入(-3,0)【不用輸入括號(hào)】,按回車鍵完成一點(diǎn)輸入,再輸入第二點(diǎn)(-2.7,0)【不用輸入括號(hào)】,按回車完成第二點(diǎn)輸入,最后點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)中鍵完成初始裂紋幾何模型的建立。

   
   

   
   

   
   

   
   圖1 圖2
   

   
   

   
   

2. 進(jìn)入裝配Assembly模塊

   
   ,對(duì)二維平板與初始裂紋幾何模型進(jìn)行裝配。

   
   

   首先點(diǎn)擊

   
   creat instance,創(chuàng)建裝配體,進(jìn)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(rèn)選項(xiàng),點(diǎn)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(zhǔn)則,首先進(jìn)入

creat material創(chuàng)建材料,進(jìn)入編輯界面,點(diǎn)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?gòu)膍echanical中選擇Damage for traction-separation中的maxps最大主應(yīng)力準(zhǔn)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(diǎn)擊 中的Damage evolution建立材料的損傷演化準(zhǔn)則,在type中選擇energy,在softening中選擇linear,mixed mode behavior中選擇power law作為計(jì)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(qǐng)查閱幫助手冊(cè)中的power law公式),最后在三個(gè)類型的斷裂能輸入值為42200;再點(diǎn)擊 中的Damage stabilization cohesive,輸入粘性參數(shù)為5e-5,為了促進(jìn)結(jié)果的收斂。

圖5

4. 創(chuàng)建截面并指配截面,點(diǎn)擊

creat section創(chuàng)建截面,進(jìn)入到編輯界面,選擇solid中的homogeneous,點(diǎn)擊OK創(chuàng)建界面成功;第二步,點(diǎn)擊 assign section指配截面,再點(diǎn)擊二維平板模型,按鼠標(biāo)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(jìn)入mesh模塊

,要注意因?yàn)槲覀冊(cè)谥霸赼ssembly選擇是mesh on part,所以要選擇 按邊進(jìn)行播種,按住shift鍵,并選中plate的四條邊,點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵,進(jìn)入編輯界面,選擇by number按照種子數(shù)量的方式進(jìn)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(huì)影響裂紋擴(kuò)展的準(zhǔn)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(bǔ)充),點(diǎn)擊ok完成種子播種。

然后點(diǎn)擊

assign mesh control,指定劃分網(wǎng)格的技術(shù),進(jìn)入編輯界面,選擇quad全部為四邊形,structured,點(diǎn)擊OK;再點(diǎn)擊 assign element type指定網(wǎng)格類型,進(jìn)入編輯界面,在單元族family里選擇plain strain平面應(yīng)變類型,其他的接受默認(rèn)設(shè)置,點(diǎn)擊OK,最后的網(wǎng)格代號(hào)為CPE4。最后點(diǎn)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(zhǔn)則(這一步非常關(guān)鍵)。

首先進(jìn)入到interaction模塊

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

圖8

接著,點(diǎn)擊

creat interaction創(chuàng)建接觸,進(jìn)入編輯界面,選擇XFEM growth,點(diǎn)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(zhǔn)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(xiàng)類型是選擇為fatigue,而cae界面里沒有此選項(xiàng)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(lái)就連同normal behavior也一起在key words輸入,所以最后裂紋始終沒有擴(kuò)展,原因應(yīng)該必須要在XFEM crack指配一個(gè)接觸性能),key words的輸入請(qǐng)看圖,在左邊樹形圖的model點(diǎn)擊右鍵,選擇edit keywords,進(jìn)入編輯界面,詳情如圖,具體數(shù)值定義,請(qǐng)自己考究。

圖9

7. 進(jìn)入到step模塊,點(diǎn)擊

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

圖10

在field output里找到

這兩項(xiàng)勾上,必須要這兩項(xiàng)輸出才能觀察到裂紋的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),如果想要輸入頻率高一點(diǎn)的話呢,可以把frequency改成50(歷程輸出和場(chǎng)輸出都改).

圖11

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

圖12

8. 進(jìn)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(diǎn)擊

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

圖13

再點(diǎn)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(diǎn)擊continue,選擇plate頂部那條邊,進(jìn)入編輯界面,如圖,其中要為位移載荷指配創(chuàng)建一個(gè)幅值曲線(實(shí)現(xiàn)載荷的周期變化),如圖點(diǎn)擊 ,進(jìn)行如圖參數(shù)設(shè)置(具體意義請(qǐng)自己考究),創(chuàng)建完幅值曲線并指定好后,點(diǎn)擊OK,完成頂部邊的載荷定義,重復(fù)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(jìn)入JOB,提交任務(wù),等待計(jì)算完成,進(jìn)入result觀察裂紋擴(kuò)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(píng)指正,補(bǔ)充完善,為廣大學(xué)習(xí)者提供更為全面的學(xué)習(xí)信息。

給大家看看我的裂紋擴(kuò)展結(jié)果,inp文件和cae文件有時(shí)間再上傳。

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

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