ANSYSAPDL对非线性自适应的裂纹张开仿真分析

2016-10-25  by:CAE仿真在线  来源:互联网

【问题描述】

一根悬臂梁左端固定,右端上下两个角点施加相离的等大集中力。在梁的右端有一水平裂纹。现在要对在加力过程中裂纹的张开过程进行仿真。

【问题分析】


1.本例子来自于ANSYS15 APDL的网格非线性自适应中的一个裂纹仿真的算例。本文对其中的一些命令进行了删减,重新排序,使得其更便于理解。

2. 要进行裂纹张开仿真,关键在于裂纹尖端处网格的处理。对于断裂力学而言,此处的网格要非常小心的进行划分,而在这里使用了自适应网格划分方式,让ANSYS自己来根据能量准则,在适当的时候对网格进行细分。

3.使用PLANE183单元来模拟,该单元是二次单元,模拟这种问题更合适。

4. 该材料是双线性随动强化材料,而且其材料属性随着温度的变化而变化。这里给定其弹性模量是温度的一次函数,也给定了两个温度下材料的屈服强度和切线模量。

5. 创建裂纹的方式。首先创建上下两个面,然后对面划分网格,接着把两个面结合处左边的节点合并,而右边的节点依旧保持分离,从而创建出裂纹。

6. 边界条件。固定左边,右边上下沿施加等大反向的集中力。

7. 求解设置。主要是关于网格非线性自适应的设置,使用了能量准则来进行网格重划。

8. 本文采用命令方式进行讲解。


【求解过程】

1 建模

1.1 创建单元类型

在命令窗口输入
/prep7
et,1,183
keyopt,1,1,0
keyopt,1,6,1

上述命令创建了平面单元PLANE183,

设置该单元是带中节点的四边形单元,

并设置使用混合的U-P公式进行计算。

使用PLANE183而非PLANE182,是因为它是二次单元,计算更精确;而使用U-P公式,是为了防止体积自锁。

1.2 设置材料模型

在命令窗口输入

MP,PRXY,1,0.3
MPTEMP,1,0,500           
MP,EX,1,12E6,-8E3       

上述命令定义材料的泊松比是0.3,并定义了一个依赖于温度变化的弹性模量。该弹性模量是温度的一次函数,其常数项是12E6,一次项是-8E3。可见,该材料的弹性模量随着温度的升高而减小。

弹性模量随着温度变化的曲线如下图

在命令窗口输入

TB,BKIN,1,2             

上述命令说明上述材料是一种双线性随动强化材料。并说明下面会给出2个温度时该材料的参数。

在命令窗口输入
TBTEMP,0.0               

TBDATA,1,44E3,1.2E6      

上述命令给出了温度时0度时,该材料的屈服强度和切线模量。

在命令窗口输入
TBTEMP,500               

TBDATA,1,29.33E3,0.8E6   

上述命令给出了温度是500度时,该材料的屈服强度和切线模量。

定义完毕后,可以看到在不同温度时,材料的应力-应变曲线如下图。上面这根折线是0度时材料的应力-应变曲线;下面这根是500度时的应力-应变曲线。

1.3 创建几何体

在命令窗口输入
blc4,0,0,10,0.5       
blc4,0,0,10,-0.5

这里分别创建了两个长方形,其连接边就是裂纹所在的边。这两个长方形现在是完全分离的。

1.4 划分网格

在命令窗口输入

lsel,s,loc,y,0
lsel,a,loc,y,0.5
lsel,a,loc,y,-0.5
lesize,all,,,20

lsel,inve
lesize,all,,,5
amesh,all

上述命令的目的,就是对各个边设置网格划分份数,然后划分网格,创建有限元模型。

要注意的是:

(1)这只是一个初始的网格,后面自适应网格划分会根据能量准则来局部细分网格。

(2)在中间这根线上有许多重合的节点。这些重合的节点分别属于上下层的单元,但是这些节点之间是没有关联的。

1.5 设置裂纹

在命令窗口输入

allsel,all
nsel,s,loc,y,0
nsel,r,loc,x,0,7
nummrg,node

上述命令选择了中间这根线上从左边开始0-7之间的节点进行了合并。这使得在此处上下层单元连接在一起。而该线上右边的单元仍然是分离的。如下图水平箭头部分的单元上下分离,通过这个方式,模拟在上下梁的此部分,存在一个尺度为3的裂纹。

1.6 设置边界条件

在命令窗口输入
allsel,all
nsel,s,loc,x,0
d,all,all

上述命令选择梁的左边并固定,这相当于设置此边为固定端。

在命令窗口输入

allsel,all
nsel,s,loc,y,0.5
nsel,r,loc,x,10
f,all,fy,5500

上述命令在梁的右上角点上施加竖直向上的集中力5500

在命令窗口输入

allsel,all
nsel,s,loc,y,-0.5
nsel,r,loc,x,10
f,all,fy,-5500

上述命令在梁的右下角点上施加竖直向下的集中力5500

在命令窗口输入

allsel,all
finish

上述命令选择所有对象,然后退出了前处理器。


2. 分析

2.1 设置基本的分析条件

在命令窗口输入

/solu
time,1
nsubst,50,100,20
nlgeom,on                      
outres,all,all                 

上述命令对分析进行了基本的设置。包括:

设置结束时间是1(并没有实际意义)

设置载荷子步时50步,最多100,最少计算20步。

然后打开大变形开关

输出所有的结果。

2.2 设置网格非线性自适应的参数

在命令窗口输入

allsel,all
esel,all
cm,cm1,elem

上述命令定义选择所有的单元,并定义成一个组件,名称是CM1.

在命令窗口输入

nlad,cm1,add,energy,mean,1
nlad,cm1,on,,,-3

rescontrol,define,all,all      

eresx,no                       

上述命令是进行网格非线性自使用求解的关键部分。

它首先添加了一个非线性网格划分时的能量准则

并启用该准则,说明每3个载荷子步使用一下能量准则检查网格

然后设置了重启动文件的写入频率。它表明所有载荷子步的结果都需要写入文件。

最后表明直接把积分点的结果拷贝到节点就好。

2.3 选择所有对象并求解

在命令窗口输入
allsel,all
solve
finish

上述命令选择所有对象后求解,然后退出求解器。


3.后处理

在命令窗口输入

/post1
set,last
plesol,s,eqv

上述命令进入后处理,选择最后一个载荷子步,然后打印其米塞斯应力。


可见,在裂纹尖端处,应力最大。

此外,通用后处理的结果总结可以看到

在8,18,28三个载荷子步处,网格进行了重分。

最后一次重分后网格如下图

这与最开始划分的网格显然大有区别,区别主要发生在裂纹尖端,在变形过程中ANSYS自动进行了3次网格细化。


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