ANSYS模拟简支梁开裂

ANSYS的断裂参数的计算1 引言断裂事故在重型机械中是比较常见的。

一方面，由于传统的设计是以完整构件的静强度和疲劳强度为依据，并给以较大的安全系数，但是含裂纹在役设备还是常有断裂事故发生。

另一方面，对于一些关键设备，缺乏对不完整构件剩余强度的估算，让其提前退役，从而造成了不必要的浪费。

因此，有必要对含裂纹构件的断裂参量进行评定，如应力强度因了和J积分。

确定应力强度因了的方法较多，典型的有解析法、边界配位法、有限单元法等。

对于工程上常见的受复杂载荷并包含不规则裂纹的构件，数值模拟分析是解决这些复杂问题的最有效方法。

本文以某一锻件中取出的一维断裂试样为计算模型，介绍了利用有限元软件ANSYS计算应力强度因子。

2 断裂参量数值模拟的理论基础对于线弹性材料裂纹尖端的应力场和应变场可以表述为：(1)其中K是应力强度因子，r和θ是极坐标参量，可参见图1，(1)式可以应用到三个断裂模型的任意一种。

图1 裂纹尖端的极坐标系(2)应力强度因子和能量释放率的关系：G=K/E" (3)其中：G为能量释放率。

平面应变：E"=E/(1-v2)平面应力：E=E"3 求解断裂力学问题断裂分析包括应力分析和计算断裂力学的参数。

应力分析是标准的ANSYS线弹性或非线性弹性问题分析。

因为在裂纹尖端存在高的应力梯度，所以包含裂纹的有限元模型要特别注意存在裂纹的区域。

如图2所示，图中给出了二维和三维裂纹的术语和表示方法。

图2 二维和三维裂纹的结构示意图3.1 裂纹尖端区域的建模裂纹尖端的应力和变形场通常具有很高的梯度值。

场值得精确度取决于材料，几何和其他因素。

为了捕获到迅速变化的应力和变形场，在裂纹尖端区域需要网格细化。

对于线弹性问题，裂纹尖端附近的位移场与成正比，其中r是到裂纹尖端的距离。

在裂纹尖端应力和应变是奇异的，并且随1/变化而变化。

为了产生裂纹尖端应力和应变的奇异性，裂纹尖端的划分网格应该具有以下特征：·裂纹面一定要是一致的。

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定义材料属性，包括弹性模量、屈服强度、断裂韧性等。

Ls—dyna中裂纹模拟的几种办法1、＊CONSTRAINED_TIED_NODES_FAILURE首先必须把单元间共节点的节点离散,可以采用ls—prepost或femp实现。

然后在通过matlab或者其他语言编写小程序，对位于同一个位置的节点建立节点集，添加*CONSTRAINED_TIED_NODES_FAILURE关键字。

采用此方法来实现裂纹模拟的缺点是前处理太麻烦.应用实例可参考白金泽《lsdyna3d基础理论与实例分析》。

2、mat_add_eroson关于这个关键字本版内有很多讨论，可以搜索一下。

需要注意的是，在lsdyna 971R4之前的版本中，这个材料模型所带的失效模式均只适用于单点积分的二维和三维实体单元.但是在R4之后的版本中，这个关键字有了很大的改进：1、去除了单点积分的限制,同时还支持3维壳单元和厚壳单元中的type1和type2。

2、可以定义初始损伤值，增加了几种损伤模型,具体可以参考lsdyna 971R5版的关键字。

3、带有失效的材料模型有些材料模型本身就带有失效的，可以定义单元的失效来模拟裂纹的拓展。

如*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 等。

如果某些材料模型不带失效模式，可以采用方法2,或者通过自定义材料本构来实现裂纹的模拟.4、带有失效模型的接触或者用弹簧单元来模拟裂纹这个方法个人觉得有些牵强，但是在有些文献中也见过.在定义裂纹前必须已知可能出现裂纹的区域，通过带有失效模式的面对面的绑定接触CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_FAILURE或者用弹簧单元来模拟裂纹面。

" j。

y: ~6 S3 S5 z$ E3 U！ ]5、采用特殊的材料模型某些材料模型如＊MAT_120（*MAT_GURSON）,＊MAT_120_JC(＊MAT_GURSON_JC），＊MAT_120_RCDC(*MAT_GURSON_RCDC）,还有一些damage模型,如＊MAT_96（*MAT_BRITTLE_DAMAGE）等，用损伤值来代替裂纹,通过观察损伤云图来判断裂纹的扩展。

第四章断裂力学文献来源：/document/200707/article796_2.htm4.1 断裂力学的定义在许多结构和零部件中存在的裂纹和缺陷，有时会导致灾难性的后果。

断裂力学在工程领域的应用就是要解决裂纹和缺陷的扩展问题。

断裂力学是研究载荷作用下结构中的裂纹是怎样扩展的，并对有关的裂纹扩展和断裂失效用实验的结果进行预测。

它是通过计算裂纹区域和破坏结构的断裂参数来预测的，如应力强度因子，它能估算裂纹扩展速率。

一般情况下，裂纹的扩展是随着作用在构件上的循环载荷次数而增加的。

如飞机机舱中的裂纹扩展，它与机舱加压及减压有关。

此外，环境条件，如温度、或大范围的辐射都能影响材料的断裂特性。

典型的断裂参数有：与三种基本断裂模型相关的应力强度因子(K I,K II,K III)(见图4-1)；J积分，它定义为与积分路径无关的线积分，用于度量裂纹尖端附近奇异应力与应变的强度；能量释放率(G)，它反映裂纹张开或闭合时功的大小；注意--在本节大部分的图形中裂纹的宽度被放大了许多倍。

图4-1 裂缝的三种基本模型4.2 断裂力学的求解求解断裂力学问题的步骤为：先进行线弹性分析或弹塑性静力分析，然后用特殊的后处理命令、或宏命令计算所需的断裂参数。

本章我们集中讨论下列两个主要的处理过程。

裂纹区域的模拟；计算断裂参数。

4.2.1 裂纹区域的模拟在断裂模型中最重要的区域，是围绕裂纹边缘的部位。

裂纹的边缘，在2D模型中称为裂纹尖端，在3D模型中称为裂纹前缘。

如图4-2所示。

图4-2 裂纹尖端和裂纹前缘在线弹性问题中，在裂纹尖端附近(或裂纹前缘)某点的位移随而变化，γ是裂纹尖端到该点的距离，裂纹尖端处的应力与应变是奇异的，随1/变化。

为选取应变奇异点，相应的裂纹面需与它一致，围绕裂纹顶点的有限元单元应该是二次奇异单元，其中节点放到1/4边处。

图4-3表示2-D和3-D模型的奇异单元。

图4-3 2-D和3-D模型的奇异单元4.2.1.1 2-D断裂模型对2D断裂模型推荐采用PLANE2单元，其为六节点三角形单元。

基于ANSYS的钢筋混凝土结构裂缝分布及宽度研究共3篇基于ANSYS的钢筋混凝土结构裂缝分布及宽度研究1钢筋混凝土结构是现代建筑的主要结构形式之一，其具有很强的抗压、耐久、耐火、耐久等性能，能够在恶劣的自然环境下保持稳定。

然而，在长期使用和自然灾害等因素的影响下，钢筋混凝土结构容易发生裂缝、断裂等问题，这对结构的稳定性和使用寿命产生影响。

因此，了解钢筋混凝土结构中裂缝的分布及宽度研究是非常重要的。

钢筋混凝土结构裂缝的分布规律是影响其性能的重要因素之一。

通常情况下，裂缝的分布具有明显的集中性和分散性。

集中性裂缝通常是指相邻裂缝的间距较小，延伸方向呈现一定的集聚趋势。

它们的分布与荷载作用的密切程度有关，通常出现在受约束的构件的连接部位、弯矩较大的梁段、柱子的角部连接处等位置。

分散性裂缝通常是指相邻裂缝的间距较大，缝宽较小，延伸方向没有一定的集聚趋势。

它们的分布与材料本身的性质有关，主要是与混凝土的收缩、膨胀等因素有关。

关于裂缝的宽度研究，通常采用钢筋混凝土杆件、板梁等结构进行试验，测定裂缝宽度与荷载的关系。

钢筋混凝土结构的裂缝宽度与很多因素有关，包括混凝土强度、梁宽、钢筋直径、混凝土保护层厚度、受力面积等因素。

研究表明，裂缝宽度与荷载的关系可以采用双曲线等函数进行拟合，建立裂缝宽度与荷载的数量关系模型，以便预测结构在荷载作用下裂缝的宽度。

使用ANSYS软件进行钢筋混凝土结构的分析和模拟可以帮助我们更好地理解结构中的裂缝分布和宽度研究。

通过对结构模型的建立和加载荷载，可以计算出结构在不同荷载下的应力和位移响应，进而预测结构中的裂缝分布和宽度。

总之，了解钢筋混凝土结构中裂缝的分布及宽度研究是非常重要的。

通过科学地研究和预测裂缝的分布和宽度，可以有效提高结构的稳定性和使用寿命，保证建筑的安全可靠性。

基于ANSYS的钢筋混凝土结构裂缝分布及宽度研究2钢筋混凝土结构是一种广泛应用的建筑结构形式，具有高强度、耐久性好、抗震性能优良等优点。

裂缝处理的主要方式
裂缝的发生机理及其裂缝理论可参考各种教材和书籍，这里不予赘述。

而这里所言是钢筋混凝土有限元分析中裂缝的数学模型，由于裂缝的处理比较困难，因此其处理方式也很多，可谓百花怒放。

但主要且常用的有三种方法：离散裂缝模型(discrete cracking model)、分布裂缝模型(smeared cracking model)、断裂力学模型。

①离散裂缝模型：也称单元边界的单独裂缝模型，即将裂缝处理为单元边界，一旦混凝土开裂，就增加新的结点，重新划分单元，使裂缝处于单元和单元边界之间。

该法可以模拟和描述裂缝的发生和发展，甚至裂缝宽度也可确定。

但因几何模型的调整、计算量大等，其应用受到限制。

不过也因计算速度和网格自动划分的实现，该模型有可能东山再起。

②分布裂缝模型：也称单元内部的分布裂缝模型，以分布裂缝来代替单独的裂缝，即在出现裂缝以后，仍假定材料是连续的，仍然可用处理连续体介质力学的方法来处理。

即某单元积分点的应力超过了开裂应力，则认为整个积分点区域开裂，并且认为是在垂直于引起开裂的拉应力方向形成了无数平行的裂缝，而不是一条裂缝。

由于不必增加节点和重新划分单元，很容易由计算自动进行处理，因而得到广泛的应用。

③断裂力学或其它模型：断裂力学在混凝土结构分析领域的研究十分活跃，但主要都集中于单个裂缝的应力应变场的分布问题，对于多个裂缝及其各个裂缝之间的相互影响问题，研究工作目前尚不成熟，到能够应用于实际路程还很遥远。

ANSYS采用分布裂缝模型。

利用ANSYS进行断裂分析初次试做断裂分析，希望有这方面经验的高手能发表些经验之谈！这个模型由两种材料组成：表面镀层为铝,基底为钢。

目的是对表面镀层的剥离过程进行分析。

目前这个模型是个假想的简化模型，初步目标是实现剥离过程的模拟。

裂纹扩展是通过接触单元生死功能实现的。

基层和镀层由接触单元连接，然后通过断裂判断准则确定要杀死的失效的接触单元。

第一版(没有加断裂判断准则，强行逐个杀死界面接触单元)：fini/clear/filn,crack1/PREP7!*ET,1,PLANE182!*KEYOPT,1,1,2KEYOPT,1,3,1KEYOPT,1,4,0KEYOPT,1,6,0KEYOPT,1,10,0!*rect,0,100,0,100rect,0,100,100,110lesi,1,,,10lesi,2,,,10esha,2!*MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,210e3MPDATA,PRXY,1,,0.3MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,2,,70MPDATA,PRXY,2,,0.33amesh,1lesi,5,,,10lesi,6,,,2mat,2amesh,2lsel,s,,,3nsll,s,1cm,c1,nodelsel,s,,,5nsll,s,1cm,t1,nodensel,s,loc,xd,all,uxnsel,s,loc,yd,all,uyd,all,uxmp,mu,3,0/COM, CONTACT PAIR CREATION - START CM,_NODECM,NODECM,_ELEMCM,ELEMCM,_LINECM,LINECM,_AREACM,AREA/GSA V,cwz,gsav,,tempMP,MU,3,0MA T,3R,3REAL,3ET,2,169ET,3,172R,3,,,100,0.1,0,RMORE,,,1.0E20,0.0,1.0,RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0.5RMORE,0,0.5,1.0,0.0,KEYOPT,3,2,0KEYOPT,3,3,0KEYOPT,3,4,0KEYOPT,3,5,0KEYOPT,3,7,0KEYOPT,3,8,0KEYOPT,3,9,0KEYOPT,3,10,0KEYOPT,3,11,0KEYOPT,3,12,5! Generate the target surfaceNSEL,S,,,T1CM,_TARGET,NODETYPE,2ESLN,S,0ESURF,ALLCMSEL,S,_ELEMCM! Generate the contact surfaceNSEL,S,,,C1CM,_CONTACT,NODETYPE,3ESLN,S,0ESURF,ALLALLSELESEL,ALLESEL,S,TYPE,,2ESEL,A,TYPE,,3ESEL,R,REAL,,3/PSYMB,ESYS,1/PNUM,TYPE,1/NUM,1EPLOTESEL,ALLESEL,S,TYPE,,2ESEL,A,TYPE,,3ESEL,R,REAL,,3CMSEL,A,_NODECMCMDEL,_NODECMCMSEL,A,_ELEMCMCMDEL,_ELEMCMCMSEL,S,_LINECMCMDEL,_LINECMCMSEL,S,_AREACMCMDEL,_AREACM/GRES,cwz,gsavCMDEL,_TARGETCMDEL,_CONTACT/COM, CONTACT PAIR CREATION - END lsel,s,,,7nsll,s,1cm,s1,node!Gradient surface loadSFGRAD,PRES,0,X,0,-0.1,sf,all,pres,-0.1nsel,allesel,all!save/solutime,1deltim,1,1,1solve/post1plns,s,1anty,,resttime,1.1ekill,140solve/post1plns,s,1/soluanty,,resttime,1.2ekill,140ekill,139solve/post1plns,s,1/soluanty,,resttime,1.3ekill,140ekill,139ekill,138solve/post1plns,s,1/soluanty,,resttime,1.4ekill,140ekill,139ekill,138ekill,137solve/post1plns,s,1第二版(加了断裂自动判断准则)。

混凝土结构的裂缝及其ANSYS分析混凝土结构是建筑工程中常见的结构形式，由于其性能优异，在各种建筑中被广泛使用。

然而，由于混凝土结构的特性，如收缩、膨胀、温度变化、荷载变形等，可能会导致结构出现裂缝。

本文将探讨混凝土结构的裂缝产生原因、裂缝的分类以及使用ANSYS软件进行裂缝分析的方法。

混凝土结构的裂缝产生原因可以从内力和外力两个方面考虑。

内力是由于结构收缩、膨胀和变形引起的，外力则包括温度变化、荷载作用、水膨胀、地震等因素。

裂缝的形成是由于混凝土内部受到拉应力的作用，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会形成裂缝。

根据混凝土结构裂缝的性质和产生原因，常见的裂缝可以分为以下几类：1.收缩裂缝：由于混凝土在干燥过程中会发生收缩，造成内部产生拉应力，从而形成的裂缝。

2.膨胀裂缝：由于温度的变化以及聚合材料的膨胀引起的裂缝，也是常见的一种裂缝类别。

3.荷载裂缝：由于承载结构受到外部荷载作用产生的拉应力引起的裂缝。

4.施工裂缝：由于混凝土的收缩和膨胀，以及施工技术不良等因素引起的裂缝。

5.水膨胀裂缝：由于混凝土受到水的侵蚀，引起水膨胀引起的裂缝。

为了对混凝土结构的裂缝进行分析，可以使用ANSYS软件。

ANSYS是一种通用有限元分析软件，可以用于模拟和分析各种复杂的结构问题。

以下是使用ANSYS进行混凝土结构裂缝分析的方法：1.准备模型：首先需要准备一个混凝土结构的三维模型。

可以使用CAD软件绘制模型，然后导入到ANSYS中。

在绘制模型时，需要注意表达混凝土的材料性质、尺寸和边界条件等。

2.定义材料性质：在ANSYS中定义混凝土的材料性质，包括弹性模量、抗拉强度、抗压强度、收缩系数等参数。

这些参数可以根据实际材料的性质进行设定。

3.应用载荷：在模型中应用实际的载荷和边界条件。

载荷可以包括静载荷、动态荷载以及温度载荷等。

需要注意的是，载荷应符合实际工程情况。

4.网格划分：将模型进行网格划分，将结构划分成小的单元。

５４基于ＡＮＳＹＳ有限元软件裂纹扩展模拟基于ＡＮＳＹＳ有限元软件裂纹扩展模拟刘莎’张芳（武汉铁路局武昌东站技术科）（十堰东风商用车研发中心）摘要从能量释放率准则出发，用ＡＮＳＹＳ软件作为平台，进行二次开发来模拟二维复合加载下裂纹的扩展。

裂纹扩展路径的模拟是模拟裂纹扩展中的难点。

重点描述了模拟裂纹扩展路径。

关键词裂纹能量释放率裂纹扩展Ｐａｒｉｓ公式０前言裂纹扩展有限元模拟研究涉及三个问题：理论基础、扩展控制参量及模拟方法。

理论基础直接影响有限元方程构成和具体实施的难易程度，应用全量理论还是增量理论；采用非线性弹性假设还是考虑扩展过程中能量耗散的真实弹塑性本构关系、屈服条件、小变形、有限变形或大变形理论等等。

就目前看来，研究主要以非线性弹性及小变形理论为主，且大多数采用ＶｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则，包括能量耗散在内的真实弹塑性及大变形理论的有限元研究者也有，但研究不很系统。

裂纹扩展控制参数与断裂理论发展及裂纹扩展测量技术有关。

扩展控制参数研究是目前弹塑性断裂问题有限元热门课题之一。

扩展模拟控制参数主要有下述几种：Ｌ，。

一△口控制，Ｊｎ一（：Ｔ（）Ａ联合控制，载荷控制尸一幽及载荷线位移控制Ｉ。

Ｉ。

Ｄ一△（＿ｆ，能量释放准则控制Ｇ一△口。

在，ａ一△“控制的实篪过程中，，ｚ阻力曲线作为材料特性，并假设与样本几何性及加载过程无关。

如上所述，此假设的合理性尚存在某些疑问，已有证据表明，当裂纹扩展量增大时，，。

阻力曲线的样本几何依赖性明显增大。

＊刘莎．女．１９７６年９月生．工程师。

武汉市．４３００７５。

尽管如此，在目前裂纹扩展有限元研究中，ｔ厂ｎ一幽控制仍是应用最广泛的方法之一，包括在裂纹扩展量大的情况下，其中原因之一是Ｌ，ｎ阻力曲线属于远场，，而远场的有限元实施具有相当的数值稳定性。

裂纹小量扩展后，ＣＴＯＡ基本保持常数的特性使Ｌ，ｎ—ＣＴＯＡ联合作为扩展准则具有潜在的发展前景，因为当，ｘ—ＣＴＯＡ联合使用时，可避开临界ＣＴ（）Ａ测量这个难点，即有限元实施时的小量扩展阶段应用ｔ，ｎ一△ｎ控制，同时连续计算ＣＴ（）Ａ，当ＣＴ（）Ａ为常数开始点时，也几乎是。