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行业应用
发布时间:2014-01-02
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- ABAQUS针对断裂力学的失效分析具有很好的解决方案,不仅可以评估裂纹尖端的应力场强度因子K、J积分或T应力等断裂力学参数,还可以根据不同的判据和方法实现不同的判据进行裂纹起始和扩展过程的数值模拟。具体包括:1、通过Seam预置裂纹实现断裂力学参数评估可以根据ABAQUS处理裂纹问题采用围线积分的方法进行直接求解裂纹尖端的断裂力学参数,用定义seam的方法来预设裂纹扩展路径,随着载荷的施加,裂纹会沿seam扩展。该方法可以模拟裂纹尖端的奇异性(通过在ABAQUS中设置实现),能很方便的计算出应力强度因子K、J积分等断裂力学参数,但是需要后处理的输出变量进行简单的数据处理。为了计算准确,断裂力学参数的评估使用一个积分域,该积分域由环绕裂纹尖端(Tip对于二维)或裂纹沿线(Line对于三维)的一块面积或体积组成。二维模型中,ABAQUS定义的裂纹尖端围线积分域;三维模型中,ABAQUS定义的裂纹沿线围线积分域。2、采用Debond方法和VCCT方法进行裂纹扩展过程分析(1)Debond方法结合三种常用断裂判据对于裂纹形成、扩展以及连接的计算,可以采用Debond命令进行模拟计算,DEBOND是一种较早的实现裂纹扩展过程模拟分析的方法,该方法主要用于二维的模型建模分析,并结合五种裂纹扩展判据,Critical stress,Critical crack opening displacement,Crack length versus time,VCCT,Low-cycle fatigue进行裂纹扩展过程的数值模拟:用debond命令实现裂纹开裂,多用于可以预制裂纹扩展路径的情况下,比如层合板,为了观察开裂需要在指定的路径上定义一个集合,这种方法简单,但实际应用范围相当有限,具体可以实现Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit初始粘结裂纹表面的裂纹扩展分析。即使多裂纹存在的情况,五种裂纹判据亦只有VCCT适用于Abaqus/Explicit中。(2)Debond方法结合VCCT断裂判据ABAQUS软件扩充了波音公司从事裂纹研究的专利成果——虚拟裂纹闭合技术(VCCT),可以结合同Debonding命令关键字结合使用,与Cohesive单元的应用具有很好的可比性与互补性。该过程为裂纹求解问题的核心求解部分,另外还可以将Debond关键字与疲劳失效分析结合起来(在后面介绍)。该判据同时适用于Abaqus/Standard 和Abaqus/Explicit。VCCT的开发主要用于航空器复合材料的失效分析,其应用可以大幅度降低层压的复合材料结构件,大型的粘结结构件的工程应用成本。在主要的结构中,铺层间的胶层和界面需要确定其层间载荷,此外,损伤容限要求胶层和界面件能够承载的损伤。复合材料的损伤分析要求应用线弹性断裂力学(Linear Elastic Fracture Mechanics,LEFM)到胶层和界面上,因此适用于沿着预定义表面的裂纹扩展问题。具体表现在2D和3D的分层分析,裂纹扩展,分离模式,多裂纹扩展,后屈曲等的非线性行为,复合材料结构,一些实际工程问题。3、材料的损伤与损伤演化、紧固件失效、摩擦磨损以及腐蚀烧蚀(1)金属材料的损伤与损伤演化ABAQUS提供了一种通用的模拟工程材料和结构的累计损伤和失效的方法,即材料的失效取决于由于材料刚度的累计退化,结构的承载能力完全丧失;采用损伤力学的方法模拟刚度的下降。累计损伤和失效可以用于连续介质力学行为的韧性材料、纤维增强复合材料以及界面材料(包括采用traction-separation准则定义的cohesive单元和cohesive单元的损伤失效行为)其中对于韧性材料的失效有两种不同的失效类型:①金属材料的韧性失效,包括孔洞的形核、扩展和连接以及剪切带的局部效应;②钣金成型中的颈缩失稳,包括成型极限图(Forming Limit Diagrams)和Marciniak-Kuczynski判据(M-K criterion);(2)纤维增强复合材料的损伤与损伤演化ABAQUS提供了一种通用的模拟纤维增强复合材料和结构的累计损伤和失效的方法,即材料的失效取决于由于材料刚度的累计退化,结构的承载能力完全丧失;采用损伤力学的方法模拟刚度的下降;模型必须采用平面应力单元进行建模(plane stress, shell, continuum shell, and membrane elements)。四种不同的失效模式可以在分析考虑,即拉伸状况下纤维断裂;压缩状况下纤维屈曲和扭转;在横向拉伸和剪切作用下的基体裂纹以及在横向拉伸和剪切作用下的基体破碎。(3)紧固件失效焊接点连接是一种重要的连接方式,ABAQUS可以实现焊点或铆接等点紧固件的合规和失效的分析。紧固件失效建模需要将塑性和累计损伤结合在一起,相应取决于载荷角。(4)摩擦磨损以及腐蚀烧蚀失效行为Abaqus/Standard中材料的摩擦磨损和腐蚀烧蚀等也可以在一个或多个表面位置建模实现;该功能还可以实现体表面的磨损和腐蚀行为;基本的分析思路是当逐渐远离表面时侵蚀材料(此时单元具有相同的节点和拓扑关系)。具体的方法包括网格重划分,通过任意的Lagrangian-Eulerian技术(ALE)实现状态映射处理。采用用户界面中已经存在的自使用网格模块定义网格行为。其主要应用范围是岩土工程:钻井过程排沙航空航天:火箭发动机的烧蚀(复合材料裂解和碳化),固体火箭推进器等汽车工程:轮胎磨损,刹车盘磨损等;制造行业:机械加工4、Cohesive力学行为模拟裂纹扩展(1)Cohesive力学行为历史背景cohesive的力学行为在模拟adhesives, bonded interfaces, and gaskets时非常有用:可用于模拟两个初始粘结表面的分离;粘结剂的累计失效以及复合材料的开裂失效;采用宏观的cohesive法则的理想化复合型断裂机理涉及到界面分析的牵引问题。cohesive的力学行为包括:基于单元的cohesive力学行为(采用cohesive单元建模)和基于表面的cohesive的力学行为(Abaqus/Standard中采用接触对建模,Abaqus/Explicit采用通用接触建模)。(2)基于单元的Cohesive力学行为基于单元的cohesive行为即cohesive单元,允许实现非常详细的粘结剂连接的模拟,包括详细的adhesive的材料属性,连接网格的直接控制,有限厚度的adhesive的建模等;ABAQUS中cohesive单元主要解决两个类型的问题,即adhesive接点失效:有限厚度的粘结层,典型的块体材料属性已知;分层失效问题:区域厚度的粘结层,典型的块体材料属性未知;(3)基于表面的Cohesive力学行为基于单元的cohesive行为即cohesive表面,是一种非常简单和容易的模拟cohesive连接的方法,使用traction-separation接面行为。用cohesive单元或cohesive界面,通过设置damage initiation和evolution准则等相关参数实现裂纹问题的模拟,同时,ABAQUS提供了多种准则可供选择,后处理时通过display group可以观察裂纹扩展情况。此功能用途较广,而且通过在ABAQUS平台上开发可实现多裂纹扩展的模拟。5、低周疲劳损伤失效与断裂失效(1)ABAQUS低周疲劳分析简介低周疲劳分析是结构遭受亚临界循环载荷作用下的准静态分析,该载荷可以是热载荷也可以是机械载荷。ABAQUS模拟低周疲劳载荷有两种方式:块体韧性材料(损伤起始与损伤演化)和材料界面(裂纹起始与扩展过程分析);低周疲劳分析使用直接循环方法可以直接得到结构的稳态循环响应分析;直接循环方法结合傅里叶级数近似与非线性材料行为的时间积分相结合,通过修正的牛顿方法进行迭代获得稳态的循环求解方法;用户可以控制傅里叶项的个数,迭代次数以及在整个循环时间周期中的时间增量以提高计算精度;在每一个循环载荷中,假定几何是先线性的并且接触条件固定;几何非线性仅仅在直接循环分析步之前的任意分析步中包括。(2)块体韧性材料的低周疲劳分析Abaqus/Standard提供了一种通用的方法对于模拟由于应力回复作用下的韧性材料的累计损伤和失效,并且当材料遭受亚临界循环载荷时,非弹性应变能不断的累加。(3)材料界面的低周疲劳分析亚临界循环载荷作用下,复合材料分层扩展是航空工业中普遍关注的问题。ABAQUS中低周疲劳判据可以模拟层合板的复合材料遭受亚临界循环载荷作用界面位置的累计分层扩展。沿着分层或裂纹扩展的方向界面必须在模型中指定,在界面位置疲劳分析的起始和增长通过相对的断裂能释放率进行表征,裂纹尖端单元的断裂能释放率可以基于VCCT技术进行计算。6、XFEM——拓展有限元方法传统有限元单元法创建像裂纹这样的稳定的不连续,需要网格与几何的不连续一致,因此,需要相当大的网格细化在裂纹的尖端以充分捕获奇异的渐进场。创建一个增长的裂纹更加繁琐、冗余,因为当裂纹扩展时,网格必须连续的更新以匹配不连续的几何模型。拓展有限元方法缓解与划分裂纹表面相关的这一缺陷。拓展有限元方法首先由Belytschko和Black(1999)引入。这是基于Melenk和Babuska(1996)提出的单元分割的概念实现的对传统有限单元方法的扩展,该方法允许局部强化函数被合并到有限单元的近似。不连续的表现通过特殊的强化函数结合额外的自由度被确保实现。然而,有限单元框架和他的属性如稀疏性和对称性仍然被保留。一些先进的方法,如初始裂纹的定义非常简单,网格的生成与裂纹无关,几何的剖分不需要出现在裂纹的位置等;材料非线性和几何非线性都可以使用;任意的和求解相关的饿裂纹起始和扩展路径,裂纹的扩展路径不需要事先定义;网格细化研究更加简单,减少重划分的影响;由于奇异裂纹尖端enrichment的使用,对于有限元求解过程具有更好的收敛率。
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