搜索断裂力学之有限宽板中心裂纹的应力强度因子【ANSYS算例验证】
2017-08-23 by:CAE仿真在线 来源:互联网
本文作者:蒋婷,指导教师:张强
下面我们以含有中心裂纹的平板为例子,计算断裂强度因子K。
一、问题描述
假设一块含有中心裂纹的平板,其几何尺寸为:W=100mm,H=200mm,板厚度为1mm,a=20mm,材料弹性模量E=200GPa,泊松比0.25,拉伸载荷σ =30MPa,试计算其应力强度因子。
问题分析:
由于长度和宽度方向的尺寸远大于厚度方向的尺寸,且所承受的载荷位于长宽方向所构成的平面内,因此该问题满足平面应力问题的条件,可以简化成平面应力问题进行求解。
根据对称性,取整体模型的1/4建立模型。
选择PLANE183单元,设置成平面应力,进行网格划分。
用KSCON命令在裂纹尖端定义奇异单元。
根据计算结果,定义路径,使用KCALC计算应力强度因子。
模型边界条件及说明见下图。
在裂纹尖端定义奇异单元
定义关键点1为应力集中点,Main Menu> Preprocessor> Meshing>Size Cntrls> Concentrat KPs> Create。命令流:KSCON,1,2.5,1,15,0.5,本命令自动围绕指定的关键点1产生奇异单元。
DELR是控制第一行单元的半径,为获得理想的计算结果,围绕裂纹顶端的第一行单元,其半径应该是八分之一裂纹长或更小。本算例模型中裂纹长度为20,八分之一裂纹长为2.5。
NTHET是控制周围单元的数目。
RRAT是第二排单元半径与第一排单元半径的比值,一般默认为0.75/0.5。
KCTIP为奇异选项,0代表不偏斜中间节点,1代表偏斜中间结点到离裂尖近的1/4处。
计算应力强度因子的步骤:
1)定义局部的裂纹尖端的坐标系,以X轴平行于裂纹面,Y轴垂直于裂纹面。在关键点1处定义局部坐标系。GUI:Utility Menu> WorkPlane> Local Coordinate Systems> Create Local CS>At Specified Loc
在裂纹顶端建立局部坐标系
2)激活局部坐标系11。
GUI:Utility Menu> WorkPlane> Change Active CS to> Specified Coord Sys
激活局部坐标系11
3)定义沿裂纹面的路径。
以裂纹顶端作为路径的第一点,然后再在裂纹面上选取两个点作为路径的附加点。GUI: Main Menu> GeneralPostproc> Path Operations> Define Path> By Nodes
定义路径
4)计算应力强度因子。
GUI:Main Menu> General Postproc> Nodal Calcs> Stress Int Factr
二、计算结果:
总位移最大值为0.03mm,等效应力最大值为179.82MPa,发生在裂纹顶端处。ANSYS算出应力强度因子为246.78。
位移云图,位移0.03mm
应力云图,应力179.82MPa
应力强度因子,KI=246.78
根据公式(下列三种公式都为计算应力强度因子的方法),本文根据三种公式,得到解析解分别为241.84,243.62,和243.84,误差分别为2.00%,1.30%和1.19%,结果吻合得很好。
三、解析解
这是一个典型的I型裂纹问题,其应力强度因子KI的计算方法有很多种,现在介绍常见的三种[1-3]
参考文献:
[1] Murakami Y E. The Stress Intensity Factors Handbook[J]. Journal of Applied Mechanics, 1987, 1(4):1063.
[2] David BROEK Fracturesearch Inc. Galena, OHLes informations contenues dans cette page sont à usage strict de et ne doivent être utilisées ou copiées par un tiers.Powered by , , and. Elementary engineering fracture mechanics[M]. Sijthoff & Noordhoff, 1982.
[3] Anderson T L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications Surjya Kumar Maiti[J]. Mrs Bulletin, 1991, 41(8):635-636.
[4] VW. F. Brown, Jr., J. E. Srawley, "Plane Strain Crack Toughness Testing of High Strength Metallic Materials", ASTM STP-410, 1966.
[5] ANSYS Help VM143
Fracture Mechanics Stress for a Crack in a Plate
四、操作视频
蓝光播放地址,用电脑播放更清晰!
https://v.qq.com/x/page/b0540ew7iw8.html
五、命令流
/PREP7
ET,1,PLANE183 !定义单元类型
KEYOPT,1,3,3 !平面应力
R,1,1, !厚度
MP,EX,1,2E5 !定义材料属性
MP,PRXY,1,0.3
K,1,15,,, !建关键点
K,2,95,,,
K,3,95,200,,
K,4,-5,200,,
K,5,-5,0,,
LSTR,1,2 !连线
LSTR,2,3
LSTR,3,4
LSTR,4,5
LSTR,5,1
AL,all !建面
KSCON,1,2.5,1,15,0.5, !定义应力集中点
ESIZE,5,0, !划分整体网格
MSHAPE,0,2D
MSHKEY,0
AMESH,1
DL,1, ,UY,0 !施加约束
DL,4, ,UX,0
SFL,3,PRES,-30, !施加载荷
FINISH
/SOL !求解
SOLVE
LOCAL,11,0,15,0,0, , , ,1,1, !定义局部坐标系
CSYS,11, !激活局部坐标系
FINISH
/POST1
FLST,2,3,1 !定义路径
FITEM,2,1
FITEM,2,266
FITEM,2,260
PATH,df,3,30,20,
PPATH,P51X,1
PATH,STAT
KCALC,1,1,0,1 !计算应力强度因子
原创文章,欢迎转发。未经授权,请勿转载。
转自公众号: 好学ANSYS 蒋婷
相关标签搜索：断裂力学之有限宽板中心裂纹的应力强度因子【ANSYS算例验证】 Ansys有限元培训 Ansys workbench培训 ansys视频教程 ansys workbench教程 ansys APDL经典教程 ansys资料下载 ansys技术咨询 ansys基础知识 ansys代做 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Abaqus培训
