第26卷第4期交 通 科 学 与 工 程 Vo l.26N o.42010年12月 JOURNAL OF TRA NSPORT SCIENC E AND ENGINEERING Dec.2010 收稿日期:2010-10-21 基金项目:湖南科技学院校级课题项目(09XK YT C018)作者简介:黄 金(1984-),女,湖南科技学院助教,硕士. 文章编号:1674-599X (2010)04-0035-06 型裂纹稳定扩展裂尖塑性区研究 黄 金1 ,杨邦成 2 (1.湖南科技学院土木工程与建设管理系,湖南永州 425100; 2.昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明 650093) 摘 要:运用F RA NC2D/L 软件分别对6.35mm 和2mm 两种厚度A r can 试件的 型裂纹稳定扩展进行数值计算,研究了该软件的网格划分技术对计算结果的影响,发现该软件的计算精度主要受裂纹区的网格密度影响(当裂纹面单元与裂纹每步扩展单元尺寸一致时,计算精度好).通过分析有效应力,研究了材料、裂纹扩展长度及试件厚度对裂纹尖端塑性区尺寸的影响.研究结果表明,材料的屈服应力越大,其裂尖塑性区尺寸越小;塑性区尺寸随裂纹扩展长度的增加,先增大后趋于不变;塑性区的形状与板厚或边界有关,6.35mm 厚的母材及3种焊接板材塑性区成扩散型,2mm 厚的母材成Dugdale 模型,25.4mm 以上厚度母材成平面应变模型;裂纹启裂时,塑性区随着厚度的增加而减小,最终不变.关键词:FR AN C2D/L ;网格技术; 型裂纹扩展;塑性区中图分类号:O346.1 文献标识码:A Research on plastic zone of type model crack extension stability H U ANG Jin 1 ,YANG Bang cheng 2 (1.Faculty of Civ il Engineer ing and Constr uctio n M anag ement,Hunan Co lleg e of Science and T echnolo gy ,Y ongzhou 425100,China; 2.Facult y of Civ il and A rchitectural Eng ineer ing, K unming U niversity of Science and T echno lo gy ,K unming 650093,China) Abstract:FRANC2D/L is used to simulate type model crack extension in tw o thick ness Arcan specim ens,of 6.35m m and 2mm,respectively.The effect of meshing tech nique on the calculation is studied.T he calculatio n precision of the so ftw are is mainly im pacted by the crack of m esh (T he better calculatio n precision is obtained w hen the crack surface unit is consistent w ith crack expansio n unit).T he size o f plastic zo ne of the crack tip,w hich is affected by mater ials,crack propag ation leng th and specim en thick ness,is investig ated by analy zing the effective stress.T he results sho w that:m aterial y ield stress is big ger,the crack tip plastic zo ne size is sm aller,plastic zone size w ith crack propagation length increases at first increases,then tends to be unchang ed,the shape of plastic zone is relev ant w ith the thickness o r bo undary ,such as,plastic zone of 6.35mm thick m other m aterials and three kinds o f w elding plate is diffusion type,plas tic zone o f 2m m thick m other materials follow s Dugdale model,plastic zone of m ore than 25.4m m thickness mother materials follow s plane str ain mo del.With crack initia tion,plastic zone decreases at first,then unchanges w ith the incr ease of thickness.Key words:FRANC2D/L;m esh technique; type crack ex tensio n;plastic zone
基于ABAQUS 扩展有限元的裂纹模拟 化工过程机械622080706010 李建 1 引言 1.1 ABAQUS 断裂力学问题模拟方法 在abaqus中求解断裂问题有两种方法（途径）：一种是基于经典断裂力学的模型；一种是基于损伤力学的模型。 断裂力学模型就是基于线弹性断裂力学及其基础上发展的弹塑性断裂力学等。如果不考虑裂纹的扩展，abaqus可采用seam型裂纹来分析(也可以不建seam，如notch型裂纹)，这就是基于断裂力学的方法。这种方法可以计算裂纹的应力强度因子，J积分及T-应力等。 损伤力学模型是指基于损伤力学发展而来的方法，单元在达到失效的条件后，刚度不断折减，并可能达到完全失效，最后形成断裂带。这两个模型是为解决不同的问题而提出来的，当然他们所处理的问题也有交叉的地方。 1.2 ABAQUS 裂纹扩展数值模拟方法 考虑模拟裂纹扩展，目前abaqus有两种技术：一种是基于debond的技术（包括VCCT）；一种是基于cohesive技术。 debond即节点松绑，或者称为节点释放，当满足一定得释放条件后（COD 等，目前abaqus提供了5种断裂准则），节点释放即裂纹扩展，采用这种方法时也可以计算出围线积分。 cohesive有人把它译为粘聚区模型，或带屈曲模型，多用于模拟film、裂纹扩展及复合材料层间开裂等。cohesive模型属于损伤力学模型，最先由Barenblatt 引入，使用拉伸-张开法则（traction-separation law）来模拟原子晶格的减聚力。这样就避免了裂纹尖端的奇异性。Cohesive 模型与有限元方法结合首先被用于混凝土计算和模拟，后来也被引入金属及复合材料。Cohesive界面单元要服从cohesive 分离法则，法则范围可包括粘塑性、粘弹性、破裂、纤维断裂、动力学失效及循环载荷失效等行为。 此外，从abaqus6.9版本开始还引入了扩展有限元法（XFEM），它既可以模拟静态裂纹，计算应力强度因子和J积分等参量，也可以模拟裂纹的开裂过程。被誉为最具有前途的裂纹数值模拟方法。本文将利用abaqus6.9版本中的扩展有限元法功能模拟常见的Ⅰ型裂纹的扩展。 2 Ⅰ型裂纹的扩展有限元分析 本文针对断裂力学中的平面Ⅰ型裂纹扩展问题用abaqus中的扩展有限元方法进行数值模拟，获得了裂纹扩展的整个过程，裂尖单元的应力变化曲线，以及裂纹尖端塑性区的形状。在此基础上绘制裂纹扩展的能量历史曲线变化趋势图。
有时候我发现焊道会有裂纹，这是怎么产生的， 如何解决这问题？ 裂纹焊缝中原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。 A、.裂纹的分类 根据裂纹尺寸大小,分为三类:(1)宏观裂纹:肉眼可见的裂纹。(2)微观裂纹:在显微镜下才能发现。(3)超显微裂纹:在高倍数显微镜下才能发现,一般指晶间裂纹和晶内裂纹。 从产生温度上看,裂纹分为两类: (1)热裂纹:产生于Ac3线附近的裂纹。一般是焊接完毕即出现,又称结晶裂纹。这种二裂纹主要发生在晶界,裂纹面上有氧化色彩,失去金属光泽。 (2)冷裂纹:指在焊毕冷至马氏体转变温度M3点以下产生的裂纹,一般是在焊后一段时间(几小时,几天甚至更长)才出现,故又称延迟裂纹。 按裂纹产生的原因分,又可把裂纹分为: (1)再热裂纹:接头冷却后再加热至500~700℃时产生的裂纹。再热裂纹产生于沉淀强化的材料(如含Cr、Mo、V、Ti、Nb的金属)的焊接热影响区内的粗晶区,一般从熔合线向热影响区的粗晶区发展,呈晶间开裂特征。 （2）层状撕裂主要是由于钢材在轧制过程中,将硫化物(MnS)、硅酸盐类等杂质夹在其中,形成各向异性。在焊接应力或外拘束应力的使用下,金属沿轧制方向的杂物开裂。 (3)应力腐蚀裂纹:在应力和腐蚀介质共同作用下产生的裂纹。除残余应力或拘束应力的因素外,应力腐蚀裂纹主要与焊缝组织组成及形态有关。 B、.裂纹的危害裂纹,尤其是冷裂纹,带来的危害是灾难性的。世界上的压力容器事故除极少数是由于设计不合理,选材不当的原因引起的以外,绝大部分是由于裂纹引起的脆性破坏。 C、.热裂纹(结晶裂纹) (1)结晶裂纹的形成机理热裂纹发生于焊缝金属凝固末期,敏感温度区大致在固相线附近的高温区,最常见的热裂纹是结晶裂纹,其生成原因是在焊缝金属凝固过程中,结晶偏析使杂质生成的低熔点共晶物富集于晶界,形成所谓"液态薄膜",在特定的敏感温度区(又称脆性温度区)间,其强度极小,由于焊缝凝固收缩而受到拉应力,最终开裂形成裂纹。结晶裂纹最常见的情况是沿焊缝中心长度方向开裂,为纵向裂纹,有时也发生在焊缝内部两个柱状晶之间,为横向裂纹。弧坑裂纹是另一种形态的,常见的热裂纹。 3 焊接缺陷及对策 热裂纹都是沿晶界开裂,通常发生在杂质较多的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等材料气焊缝中 (2)影响结晶裂纹的因素 a合金元素和杂质的影响碳元素以及硫、磷等杂质元素的增加,会扩大敏感温度区,使结晶裂纹的产生机会增多。 b.冷却速度的影响冷却速度增大,一是使结晶偏析加重,二是使结晶温度区间增大,两者都会增加结晶裂纹的出现机会； c.结晶应力与拘束应力的影响在脆性温度区内,金属的强度极低,焊接应力又使这飞部分金属受拉,当拉应力达到一定程度时,就会出现结晶裂纹。
裂纹 裂纹是锻压生产中常见的主要缺陷之一，通常是先形成微观裂纹，再扩展成宏观裂纹。锻造工艺过程（包括加热和冷却）中裂纹的产生与受力情况、变形金属的组织结构、变形温度和变形速度等有关。锻造工艺过程中除了工具给予工件的作用力之外，还有由于变形不均匀和变形速度不同引起的附加应力、由温度不均匀引起的热应力和由组织转变不同时进行而产生的组织应力。 应力状态、变形温度和变形速度是裂纹产生和扩展的外部条件；金属的组织结构是裂纹产生和扩展的内部依据。前者是通过对金属组织及对微观机制的影响而对裂纹的发生和扩展发生作用的。全面分析裂纹的成因应当综合地进行力学和组织的分析。 （一）形成裂纹的力学分析 在外力作用下物体内各点处于一定应力状态，在不同的方位将作用不同的正应力及切应力。裂纹的形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变；另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。 至于材料产生何种破坏形式，主要取决于应力状态，即正应力σ与剪应力τ之比值。也与材料所能承受的极限变形程度εmax 及γmax有关。例如，①对于塑性材料的扭转，由于最大正应力与切应力之比σ/τ=1是剪断破坏；②对于低塑性材料，由于不能承受大的拉应变，扭转时产生45°方向开裂。由于断面形状突然变化或试件上有尖锐缺口，将引起应力集中，应力的比值σ/τ有很大变化，例
如带缺口试件拉伸σ/τ=4，这时多发生正断。 下面分析不同外力引起开裂的情况。 1.由外力直接引起的裂纹 压力加工生产中，在下列一些情况，由外力作用可能引起裂纹：弯曲和校直、脆性材料镦粗、冲头扩孔、扭转、拉拔、拉伸、胀形和内翻边等，现结合几个工序说明如下。 弯曲件在校正工序中（见图3-34）由于一侧受拉应力常易引起开裂。例如某厂锻高速钢拉刀时，工具的断面是边长相差较大的矩形，沿窄边压缩时易产生弯曲，当弯曲比较严重，随后校正时常常开裂。 镦粗时轴向虽受压应力，但与轴线成45°方向有最大剪应力。低塑性材料镦粗时常易产生近45°方向的斜裂（见图片8-355）。塑性好的材料镦粗时则产生纵裂，这主要是附加应力引起的。 工件的几何形状对应力分布有明显影响。例如，拉伸试棒在缩颈形成前各处可以视为受均匀的单向拉应力，一旦形成缩颈后，缩颈表面就受三向拉应力；镦粗时也有类似的情况，只是应力的符号相反。
恒泰艾普软件培训系列教材 Stress Field Modeling 应力场模拟和裂缝预测 恒泰艾普石油勘探开发技术有限公司https://www.doczj.com/doc/db11271547.html,
目录 一、 模块功能 二、 原理和方法 三、 参数和使用说明 四、 应用关键和应用技巧
一、模块功能 利用地质、钻井和测井资料，计算拉梅常数和剪切模量等参数，建立地质模型、力学模型及数学模型，运用三维有限差分数值模拟方法对应力场进行模拟，研究构造、断层、地层厚度、区域应力场等地质因素与裂缝分布的关系，预测与构造有关的裂缝分布及发育程度。
二、原理和方法 （一）应力场的概念 地壳中或地球体内，应力状态随空间点的变化，称为应力场，或构造应力场。应力场一般随时间变化，但在一定地质阶段相对比较稳定。研究应力场，就是研究应力分布的规律性，确定地壳上某一点或某一地区，在特定地质时代和条件下，受力作用所引起的应力方向、性质、大小以及发展演化等特征。随着地质演化，一个地区常常经受多次不同方式的地壳运动，导致同一地区内，呈现出受不同时期不同形式地应力场作用所形成的各种构造极其叠加或改造的复杂景观。因此，只有最近一期地质构造事件，未经破坏或改造，才能确切地反映这个时期的应力场。 应力场可按空间区分为全球、区域和局部地应力场；按时间区分为古地应力场和今地应力场；按主应力作用方式区分为挤压、拉张和剪切地应力场。 （二）地质模型和应力场关系 地支模型的建立是做好应力场模拟的先决条件，首先将储层的目的层连同上下盖层和覆盖层作为一个岩石块体的隔离体来计算，然后从地质的角度提出构造成因，构造裂缝的特征，构造应力场的宏观特征及断层发育史。我们现在研究的构造应力场主要在早白垩世构造伸展期与晚白垩世构造反转期形成，因此研究的地质体应为相应时期的古构造图。对于挤压构造，应取受挤压之前的古构造作为地质体；而对于伸展构造，考虑到伸展作用的长期性及伸展对构造缝所形成的控制作用，应取伸展之后的古构造作为地质体。在此基础上，恢复古构造剖面图，推断地质隔离体的受力方向及大小，设定边界条件并提出反演应力场及裂缝的地质标准。但是，由于地质体是一个十分复杂的地下岩石块体，其地壳中各种地质构造形态，类型，成因是在漫长历史时期的地质演化过程中形成的，这种复杂的地质演化过程不可能恢复，只能用相对静止的观点和相对简化的方法去处理构造与古应力场的问题。考虑到储油构造中主要的一种类型是背斜构造，它是由地壳受到挤压发生弯曲，或由于基底隆起使沉积地层上拱而形成。在从历史时期的连续的接受应力而形成现代的构造体系，我们可以近似的以现在的构造应力场来作为古构造应力场的一个发展模型，来模拟在这样的应力场的条件下会导致怎样的构造裂缝体系 （三）基本原理 本软件以弯曲薄板作为油层构造模拟的力学模型，用二维的方法来处理油层构造，这种方法计算方便，人工干预少，对于应力场模拟可以将边界作为自由边界处理，不需要另外考虑边界条件。该方法主要以背斜构造作为模型进行分析，得出可以用构造面上一点的最大曲率值作为该点裂缝发育程度的判据，而以最小主曲率方向指示可能出现的张裂缝走向，这样就将构造裂缝的分布问题化为构造面的主曲率计算问题。 设以薄板中面为z=0的坐标面，规定按右手规则，以平行于大地坐标为X，Y坐标，以
裂纹 裂纹是锻压生产中常见的主要缺陷之一,通常是先形成微观裂纹,再扩展成宏观裂纹。锻造工艺过程（包括加热和冷却)中裂纹的产生与受力情况、变形金属的组织结构、变形温度和变形速度等有关。锻造工艺过程中除了工具给予工件的作用力之外，还有由于变形不均匀和变形速度不同引起的附加应力、由温度不均匀引起的热应力和由组织转变不同时进行而产生的组织应力。 ?应力状态、变形温度和变形速度是裂纹产生和扩展的外部条件；金属的组织结构是裂纹产生和扩展的内部依据。前者是通过对金属组织及对微观机制的影响而对裂纹的发生和扩展发生作用的。全面分析裂纹的成因应当综合地进行力学和组织的分析。?(一）形成裂纹的力学分析 在外力作用下物体内各点处于一定应力状态,在不同的方位将作用不同的正应力及切应力。裂纹的形式一般有两种:一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变；另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。?至于材料产生何种破坏形式,主要取决于应力状态,即正应力σ与剪应力τ之比值。也与材料所能承受的极限变形程度εmax及γmａｘ有关。例如，①对于塑性材料的扭转，由于最大正应力与切应力之比σ/τ=1是剪断破坏;②对于低塑性材料，由于不能承受大的拉应变，扭转时产生4５°方向开裂。由于断面形状突然变化或试件上有尖锐缺口，将引起应力集中，应力的比值σ／τ有很大变化，例如带缺口试件拉伸σ／τ=4,这时多发生正断。?下面分析不同外力引起开裂的情况。 1.由外力直接引起的裂纹?压力加工生产中，在下列一些情况，由外力作用可能引起裂纹:弯曲和校直、脆性材料镦粗、冲头扩孔、扭转、拉拔、拉伸、胀形和内翻边等，现结合几个工序说明如下。 弯曲件在校正工序中（见图３-34)由于一侧受拉应力常易引起开裂。例如某厂锻高速钢拉刀时,工具的断面是边长相差较大的矩形，沿窄边压缩时易产生弯曲,当弯曲比较严重，随后校正时常常开裂。?镦粗时轴向虽受压应力，但与轴线成４５°方向有最大剪应力。低塑性材料镦粗时常易产生近45°方向的斜裂（见图片8－3５５)。塑性好的材料镦粗时则产生纵裂,这主要是附加应力引起的。?工件的几何形状对应力分布有明显影响。例如,拉伸试棒在缩颈形成前各处可以视为受均匀的单向拉应力，一旦形成缩颈后,缩颈表面就受三向拉应力；镦粗时也有类似的情况，只是应力的符号相反。
锻造裂纹 裂纹是锻压生产中常见的主要缺陷之一，通常是先形成微观裂纹，再扩展成宏观裂纹。锻造工艺过程（包括加热和冷却）中裂纹的产生与受力情况、变形金属的组织结构、变形温度和变形速度等有关。锻造工艺过程中除了工具给予工件的作用力之外，还有由于变形不均匀和变形速度不同引起的附加应力、由温度不均匀引起的热应力和由组织转变不同时进行而产生的组织应力。 应力状态、变形温度和变形速度是裂纹产生和扩展的外部条件；金属的组织结构是裂纹产生和扩展的内部依据。前者是通过对金属组织及对微观机制的影响而对裂纹的发生和扩展发生作用的。全面分析裂纹的成因应当综合地进行力学和组织的分析。 （一）形成裂纹的力学分析 在外力作用下物体内各点处于一定应力状态，在不同的方位将作用不同的正应力及切应力。裂纹的形式一般有两种：一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变；另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。 至于材料产生何种破坏形式，主要取决于应力状态，即正应力σ与剪应力τ之比值。也与材料所能承受的极限变形程度εmax及γmax有关。例如，①对于塑性材料的扭转，由于最大正应力与切应力之比σ/τ=1是剪断破坏；②对于低塑性材料，由于不能承受大的拉应变，扭转时产生45°方向开裂。由于断面形状突然变化或试件上有尖锐缺口，将引起应力集中，应力的比值σ/τ有很大变化，例如带缺口试件拉伸σ/τ=4，这时多发生正断。 下面分析不同外力引起开裂的情况。 1.由外力直接引起的裂纹 压力加工生产中，在下列一些情况，由外力作用可能引起裂纹：弯曲和校直、脆性材料镦粗、冲头扩孔、扭转、拉拔、拉伸、胀形和内翻边等，现结合几个工序说明如下。 弯曲件在校正工序中（见图3-34）由于一侧受拉应力常易引起开裂。例如某厂锻高速钢拉刀时，工具的断面是边长相差较大的矩形，沿窄边压缩时易产生弯曲，当弯曲比较严重，随后校正时常常开裂。 镦粗时轴向虽受压应力，但与轴线成45°方向有最大剪应力。低塑性材料镦粗时常易产生近45°方向的斜裂（见图片8-355）。塑性好的材料镦粗时则产生纵裂，这主要是附加应力引起的。 工件的几何形状对应力分布有明显影响。例如，拉伸试棒在缩颈形成前各处可以视为受均匀的单向拉应力，一旦形成缩颈后，缩颈表面就受三向拉应力；镦粗时也有类似的情况，只是应力的符号相反。 工件在冷却过程中所形成的热应力及组织应力在不断变化，其分布方向恰好相反，但从数量上并不能正好抵消；热应力早在高温冷却初期即产生，而淬火组织应力则在较低的温度（Ms以下）时才开始出现；冷至室温后的最终残余内应力，其大小与分布情况取决于热应力与组织应力在每一瞬时相互叠加作用的结果。 对于无同素异构转变的锻件，在锻后空冷或其它缓慢的冷却过程中，热应力通常并不引起严重后果。虽然冷却初期温差较大，表层为拉应力（中心部分受压应力），但因温度较高，塑性较好，不致引起开裂；冷却后期温差不太大，且表层受压应力，所以也不引起开裂。奥氏体（如、50Mn18Cr4WN）的任何大断面锻件都可以直接空冷而不需缓冷，甚至水淬时也不产生裂纹。 组织应力在较低温度下才开始发生，这时材料塑性较低，这是造成冷却时开裂的主要原因。高速钢冷却裂纹及马氏体不锈钢冷却裂纹附近没有氧化脱碳现象也证明了这一点。对于马氏体不锈钢即使采取一些缓冷措施，仍必须退火后才能进行酸洗，否则在腐蚀时易出现应力腐蚀开裂。 W18Cr4V钢锻件一侧因锻后激冷形成的裂纹。加热时温度分布及其变化情况与冷却时正相反，升温过程中表层温度超过心部温度，并且导热性越差，断面越大，温差也越大。 对于热应力，这时表层受压内层受拉，在受拉应力区由于温度低，塑性差有可能形成开裂。在加热初期金属尚处于弹性状态的时候，在加热速度不变的条件下，根据计算，在圆柱体坯料轴心区沿轴向的拉应力是沿径向和切向拉应力值的两倍。因此，加热时坯料一般是横向开裂。 加热过程中由于相变不同时进行也有组织应力发生，但这时由于温度较高，材料塑性较好，其危险程度远较冷锭快速加热时为小。
基于ANSYS Workbench的表面裂纹计算 By Yan Fei 本教程使用ANSYS Workbench17.0 进行试件表面裂纹的分析，求应力强度因子。需要提前说明的是，本案例没有工程背景，仅为说明裂纹相的计算方法，因此参数取值比较随意，大量设置都采用了默认值。 1.背景知识 传统的强度设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际工程构件中存在多种缺陷，断裂力学是从20实际50年代末期发展起来的一门弥补了传统强度设计思想严重不足的新的学科，是专门研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件作用下构件的强度、裂纹扩展趋势以及疲劳寿命的科学。断裂力学是从构件内部具有初始缺陷这一实际情况出发，研究在外部荷载下的裂纹扩展规律，从而提出带裂纹构件的安全设计准则。 a 张开型裂纹 b 滑开型裂纹 c 撕开型裂纹 图 1 裂纹的分类 使用弹性力学方法可以求得，在裂纹尖端处的应力的解析解为无穷大，此时应力值已经失去意义，一般采用应力强度因子作为判断结构是否安全的指标。目前的断裂力学研究主要集中在I型裂纹的开裂，数值计算工具也多集中在I型裂纹的计算上，因此以I型裂纹为例。
图2 裂纹尖端坐标系 含有裂纹的无限大平板的I 型裂纹尖端附近的应力为： )(23cos 2sin 223sin 2sin 12cos 223sin 2sin 12cos 20ⅠⅠⅠr O r K r K r K xy y x +???????????=??? ??+=??? ???=θθπτθθθπσθθθπσ 其中，K Ⅰ叫Ⅰ型裂纹的应力强度因子。 2. ANSYS Workbench 裂纹分析 2.1. 分析模型的建立 1 建立一个静力分析步，材料使用默认，需要说明的是，现有计算技术下，断裂力学计算一般都采用线弹性材料，考虑到断裂中塑性区一般都不大，线弹性的假设还是可以接受的。 图3 分析步设置 2 建立几何模型，本案例使用spaceclaim 建立几何模型。 图4 试件平面图
《应力场分析与裂缝预测》教学大纲 （2004年制定，2012年第二次修改） 课程名称：应力场分析与裂缝预测 课程英文名称：Stress Field Analysis and Fracture Prediction 课内学时：32 课程学分：2 课程性质：学位课开课学期：每学年第一学期 教学方式：课堂讲授考核方式（考试/考查）：考试 大纲执笔人：曾联波主讲教师：曾联波 师资队伍：曾联波、童亨茂、陈书平 一、课程内容简介 《应力场分析与裂缝预测》是地质学专业和资源勘探与地质工程专业硕士研究生的一门专门课程。讲授古、现应力场和储层裂缝的研究方法及其在油气勘探与开发中的应用，包括应力与应力场的基础概念、古构造应力场分析方法、现今地应力测量方法、裂缝的基础知识，裂缝定量预测方法、古应力场在油气勘探中的应用、现今地应力和裂缝在低渗透油气田开发中的应用。本门课程为32学时，2学分。 二、课程目的和基本要求 课程的目的是培养学生掌握古、今应力场分析与储层裂缝预测的基本理论和方法分析油田应力场分布及进行储层裂缝预测的基本能力。《应力场分析与裂缝预测》课程涉及构造地质学、地质力学、储层地质学、岩石力学、石油地质学和油气藏工程等多方面的基本知识，要求学生系统学习了大学本科地质类专业的构造地质学、固体力学、石油地质学和储层地质学等课程。 学完本课程后，应达到以下基本要求： 1．了解应力、应力场和裂缝的基本概念及基本分布特征； 2．掌握古应力场研究方法及进展，并能运用这些基本方法分析油田古应力场分布和指导油气勘探； 3．掌握现今地应力测量方法，并能运用这些方法分析低渗透油气田的地应力分布和指导油气田开发。 4. 掌握储层裂缝的研究和预测方法，并能运用这些方法研究和预测低渗透储层裂缝的分布规律。 三、课程主要内容 §1. 应力场分析和裂缝预测的基础知识（4学时） §1.1应力、应力场和裂缝的基本概念。 §1.2应力场和裂缝研究的基本内容与方法。 §1.3应力场分析和裂缝预测的研究现状与发展趋势。 §1.4应力场分析和裂缝预测的研究意义。 §2. 现今地应力测量方法（4学时） §2.1现场地应力测量方法。 §2.2岩心地应力测量方法。 §2.3测井地应力分析方法。 §2.4地应力的分布规律及影响因素 §3. 古构造应力场分析方法（6学时） §3.1古构造应力方向分析方法。
常见淬火裂纹有以下10种类型 模具钢热处理中，淬火是常见工序。然而，因种种原因，有时难免会产生淬火裂纹，致使前功尽弃。分析裂纹产生原因，进而采取相应预防措施，具有显著的技术经济效益。常见淬火裂纹有以下10种类型。 1纵向裂纹裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体，产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：(1)钢中含有较多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；(2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。预防措施：(1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产；(2)尽量选用真空冶炼、炉外精炼或电渣重熔模具钢材；(3)改进热处理工艺，采用真空加工热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分析淬火、等温淬火；(4)变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。 2横向裂纹 裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。 预防措施：(1)模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2-3之间，锻造之间双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小、匀分布于钢基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源；(2)选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力，表层为压应力，内层为张应力，相互抵消，有效防止热应力裂纹形成，在钢的Ms-Mf之间缓冷，大幅度降低形成淬火马氏体时的组织应力。当钢中热应力与相应应力总和为正(张应力)时，则易淬裂，为负时，则不易淬裂。充分利用热应力，降低相变应力，控制应力总和为负，能有效避免横向淬火裂纹发生。CL-1有机淬火介质是较理想淬火剂，同时可减少和避免淬火模具畸变，还可控制硬化层合理分布。调正CL-1淬火剂不同浓度配比，可得到不同冷却速度，获得所需硬化层分布，满足不同模具钢需求。 3弧状裂纹 常发生在模具棱角、凸台、刀纹、尖角、直角、缺口、孔穴、凹模接线飞边等形状突变处。这是因为，淬火时棱角处产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。另外，(1)钢中含碳(C)
模具钢热处理中，淬火是常见工序。然而，因种种原因，有时难免会产生淬火裂纹，致使前功尽弃。分析裂纹产生原因，进而采取相应预防措施，具有显著的技术经济效益。常见淬火裂纹有以下10类型。 1、纵向裂纹 裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体，产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：(1)钢中含有较多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；(2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸为25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。 预防措施：(1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产；(2)尽量选用真空冶炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材；(3)改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火；(4)变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。 2横向裂纹 裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P．Sb，Bi，Pb，Sn，As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。 预防措施：(1)模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2—3之间，锻造采用双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于钢基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源；(2)选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力
也许要暂别simwe一段时间了，在论坛获益良多，作为回报把自己这段时间在ABAQUS断裂方面的一些断断续续的心得整理如下，希望对打算研究断裂的新手有一点帮助，大牛请直接跳过。本贴所有内容均为原创，转贴请注明，谢谢。 引言：我们知道从1914年Ingless和1921年Griffith提出断裂力学开始，一直到60年代都停留在线弹性断裂力学(LEFM)的层次。后来由於发现在裂纹尖端进入塑性区后用LEF仍然无法解决stress singularity的问题。1960年由Barenblatt 和Dugdale率先提出了nonlinear/plastic fracture mechnics的概念，在裂纹前端引入了plastic zone,这也就是我们现在用的cohesive fracture mechnics的前身。当时这个概念还没引起学术界的轰动。直到1966年Rice发现J-integral及随后发现在LEFM中J-integral是等于energy release rate的关系。随后在工程中发现了越来越多的LEFM无法解释的问题。cohesive fracture mechnics开始引起更多的关注。在研究以混凝土为代表的quassi-brittle material时，cohesive fracture mechnics提供了非常好的结果，所以在70年代到90年代，cohesive fracture mechnics被大量应用于混凝土研究中。目前比较常用的方法主要是fictitious crack approach和effective-elastic crack approach或是称为equivalent-elastic crack approach. 其中fictitious crack approach只考虑了Dugdale-Barenblatt energy mechanism而effective-elastic crack approach只考虑了基於LEFM的Griffith-Irwin energy dissipation mechanism，但作了一些修正。 做裂纹ABAQUS有几种常见方法。最简单的是用debond命令, 定义 *FRACTURE CRITERION, TYPE=XXX, 参数。。。 ** *DEBOND, SLAVE=XXX, MASTER=XXX, time increment=XX 0,1, …… ...... time,0 要想看到开裂特别注意需要在指定的开裂路径上定义一个*Nset，然后在 *INITIAL CONDITIONS, TYPE=CONTACT中定义 master, slave, 及指定的Nset 这种方法用途其实较为有限。 例子如图 [本帖最后由 yaooay 于 2008-10-31 00:48 编辑] debond example.png(157.24 KB, 下载次数: 488)
裂纹 裂纹就是锻压生产中常见得主要缺陷之一,通常就是先形成微观裂纹，再扩展成宏观裂纹。锻造工艺过程(包括加热与冷却)中裂纹得产生与受力情况、变形金属得组织结构、变形温度与变形速度等有关。锻造工艺过程中除了工具给予工件得作用力之外,还有由于变形不均匀与变形速度不同引起得附加应力、由温度不均匀引起得热应力与由组织转变不同时进行而产生得组织应力。应力状态、变形温度与变形速度就是裂纹产生与扩展得外部条件;金属得组织结构就是裂纹产生与扩展得内部依据。前者就是通过对金属组织及对微观机制得影响而对裂纹得发生与扩展发生作用得。全面分析裂纹得成因应当综合地进行力学与组织得分析。? (一)形成裂纹得力学分析?在外力作用下物体内各点处于一定应力状态，在不同得方位将作用不同得正应力及切应力。裂纹得形式一般有两种:一就是切断,断裂面就是平行于最大切应力或最大切应变；另一种就是正断,断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。 至于材料产生何种破坏形式,主要取决于应力状态,即正应力σ与剪应力τ之比值。也与材料所能承受得极限变形程度εmaｘ及γmax有关。例如，①对于塑性材料得扭转,由于最大正应力与切应力之比σ/τ=1就是剪断破坏；②对于低塑性材料,由于不能承受大得拉应变，扭转时产生45°方向开裂。由于断面形状突然变化或试件上有尖锐缺口,将引起应力集中，应力得比值σ/τ有很大变化, 1、由例如带缺口试件拉伸σ/τ=４,这时多发生正断。?下面分析不同外力引起开裂得情况。? 外力直接引起得裂纹?压力加工生产中，在下列一些情况,由外力作用可能引起裂纹：弯曲与校直、脆性材料镦粗、冲头扩孔、扭转、拉拔、拉伸、胀形与内翻边等,现结合几个工序说明如下。?弯曲件在校正工序中(见图３-3４)由于一侧受拉应力常易引起开裂。例如某厂锻高速钢拉刀时,工具得断面就是边长相差较大得矩形,沿窄边压缩时易产生弯曲,当弯曲比较严重,随后校正时常 常开裂。?镦粗时轴向虽受压应力,但与轴线成４５°方向有最大剪应力。低塑性材料镦粗时常易产生近4５°方向得斜裂（见图片8-355)。塑性好得材料镦粗时则产生纵裂，这主要就是附加应力引起得。?工件得几何形状对应力分布有明显影响。例如，拉伸试棒在缩颈形成前各处可以视为受均匀得单向拉应力,一旦形成缩颈后,缩颈表面就受三向拉应力;镦粗时也有类似得情况，只就是应力得符号相反。 图３－３4 拔长时表面纵向裂纹形成过程示意图 ?图片8-355 MB2镁合金锻件表面裂纹 我们曾经对图３－35所示得凹凸两种试样进行镦粗。镦粗后在凸形得试样上出现45°剪裂（见图3-35b)。其主要原因就是由于沿表层分布得力除沿轴向对两者都有压应力外，对于凹形试件还有径向应力分量（压应力)产生,而对于凸试件则由于存在径向压应力而产生切向拉应力,前者对表层纵向开裂起阻止作用,后者对表层纵向开裂起促进作用。生产上采用铆镦得方法锻高速钢，从力学上分析也就是利用中凹得工件,使镦粗时不易出现纵裂。 另外,矩形断面毛坯在平砧下拔长时产生得对角线裂纹也就是切应力引起得。? 2、由附加应力及残余应力引起得裂纹?压力加工生产中,大多数裂纹都就是由附加应力作用产生得，附加应力主要就是由两种原因引起得。①变形不均匀;②变形时金属流速不均匀。结合几个典型工序介绍如下：?（1）由变形不均匀引起得附加应力?一般材料镦粗时侧表面产生纵向裂纹,就是由于表面受切向拉应力作用得结果,而这种切向拉应力就是由于镦粗时变形不均匀引起得附加应力。镦粗时中心区(Ⅱ）得变形大,而周边区(Ⅲ区)得变形较小,Ⅱ区金属向外流动时,便使Ⅲ区金属沿切向受附加拉应力（见第四章图4－1）。 拔长时，当送进量ｌ相对于坯料得高度较小时(l<０、５h＝,这时变形区成双鼓形,中间部分锻不透,被上下部分金属强制延伸而受拉应力（见第四章图４－12)，易弓l起锻件内部横向裂纹(见
热处理淬火十种裂纹分析与措施 2007-4-16 1、纵向裂纹 裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体,产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：(1)钢中含有较多S、P、***、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；(2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸为25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。 预防措施：(1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产；(2)尽量选用真空冶炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材；(3)改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火；(4)变无心淬火为有心淬火即不完全淬透，获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力，能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。 2、横向裂纹 裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P．***，Bi，Pb，Sn，As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。 预防措施：(1)模块应合理锻造，原材料长度与直径之比即锻造比最好选在2—3之间，锻造采用双十字形变向锻造，经五镦五拔多火锻造，使钢中碳化物和杂质呈细、小，匀分布于钢基体，锻造纤维组织围绕型腔无定向分布，大幅度提高模块横向力学性能，减少和消除应力源；(2)选择理想的冷却速度和冷却介质：在钢的Ms点以上快冷，大于该钢临界淬火冷却速度，钢中过冷奥氏体产生的应力为热应力，
裂纹尖端应力强度因子的计算 图为一带有中心裂纹的长板，两端作用均布力，且p=1Pa，结构尺寸如图所示，确定裂纹尖端的应力强度因子。已知材料的性能参数为：弹性模量E=2.06×10Pa，泊松比u=0.3 应力强度因子KI=p==0.2802；现在利用有限元软件ansys对其建模求解来确定其数值解与解析解进行比较。 一、建立模型 由于结构具有对称性，在利用有限元计算裂纹尖端应力强度因子时，取其四分之一的模型即可 1. 输入材料的参数和选取端元 FINISH /CLEAR, START /TITLE, STRESS INTENSITY-CTACK IN PLATE H=1000 ！设置比例尺 /TRIAD, OFF ！关闭坐标系的三角符号 /PREP7 ET, 1, PLANE82, , , 2 MP, EX, 1, 2. 06E11 MP, NUXY, 1, 0.3 ！输入泊松比 2. 建立平面模型 RECTNG,-25/H,50/H,0,100/H ！生成矩形面 LDIV,1,1/3,,2,0 ！在1号线上生成裂纹尖端所处的位置
3．划分网格 为了方便裂纹尖端因子的计算，ansys软件专门提供了一个对裂纹尖端划分扇形单元的命令，即：“kscon”。其命令流如下： LESIZE, 2,,,15,,,,,1 ！对线指定单元个数 LESIZE, 4,,,15,0.3,,,,1 LESIZE, 3,,,12,,,,,1 KSCON,5,3.5/H,1,8 ！对裂纹尖端所在的位置划分扇形单元 ESIZE,3/H,0, AMESH,1 FINISH
4．加载和求解 ?]痏I囚_ _R /SOLU ！进入求解器 嶊?$~菐宅鷋_'?l|錑鈑 壓庢uK麡睽KK畵>Ou?__ 訽 DL,4,,SYMM閼 :!痱摋铪6鸰._@ SFL,3,PRES,-1 ！在3号线上施加布力倪猸 _湋繽丈\g颻湀}OUTPR,ALL }b畇__濠N鲭|FINISH 'b镫淖瑵_鲱v蠄瀯屋璅 甆€_鼍_恄7]僟濢Z嵹!_価 _dDO_N谶l