abaqus断裂韧性扫盲贴

rosepianist · 发表于 2011-10-9 15:29:20

最近论坛上很多人都开始搞xfem，里面有几个参数比较令人痛苦，比如断裂韧性KIC（fracture thoughness）和裂纹表面能G（fracture energy）。

首先要知道的是，这两个参数都不是通过abaqus仿真能得到的，而是材料本身的特性，跟密度一样，是先天决定的。所以你要想得到这两个数值，只有两个途径:查文献，或者做实验。

zhernian · 发表于 2014-7-23 22:38:57

本帖最后由 zhernian 于 2014-7-23 22:44 编辑

我也是今年才学的XFEM。
我个人的感觉是学习扩展有限元法，应该先把Belytschko教授发表的一些列论文看一下，然后再做xfem裂纹扩展，这样先理论后实践，做出来还是很容易的
Belytschko教授发表的一些最原始的论文可参见60#这些论文见了XFEM提出和发展的过程，花时间看一下时很有意义的

rosepianist · 发表于 2011-10-23 21:53:26

本文主要目的就是分析准脆性材料的尺寸大小对裂纹的影响。研究的尺寸参数就是试样的厚度，初始裂纹的长度。裂纹的参数是断裂韧性，和断裂过程区域长度。

如果是脆性的，那么断裂韧性的改变就是线性改变的，只要有了裂纹，有了外力，材料就会一断到底：

但是准脆性材料不同，即使外力一直为常数，但是由于塑性区域的存在，断裂过程区域长度在增长，断裂韧性逐渐增，不再是线性的，而是非线性的发展：

于是在这里就引进了一个等效裂纹扩展参数。

这里，等效裂纹参数：

D越大，临界等效裂纹参数就接近于一个常数：

这个常数就是裂纹过程区域长度。

文中做了相关实验，解释并验证了这个公式在某些区域内是可靠的。

rosepianist · 发表于 2011-10-21 20:16:28

本文主要解释了xfem的基础方程的含义，阐述了虚拟节点的定义。并在对于扩展有限元的理解的基础上，对于已有的三角形子域计算方法进行了改进，在abaqus上编写了一段子程序，对三点弯曲梁断裂过程进行了仿真。

具体代码没有给出，采用的是最大主应力法则。看完以后会对扩展有限元有一个基础的认识。

rosepianist · 发表于 2011-10-9 15:50:58

本帖最后由 rosepianist 于 2011-10-9 15:51 编辑

可能上面的文献各位找不到，我这边扫描了文献二附录中的常见材料断裂参数，希望对大家有所帮助。

rosepianist · 发表于 2011-10-9 15:42:26

本帖最后由 rosepianist 于 2011-10-9 15:44 编辑

第二，解释一下这两个属性的定义。

早在1920年，格里菲斯就从能量平衡的观点研究了玻璃的脆断。他证明了，对于弹性体中预先存在的一条裂纹，当总位能的减小等于或超过两个新的裂纹表面的表面能时，裂纹就会发生扩展。之后他又研究了裂纹尖端附近的应力场，发现当裂纹前端的应力场强度达到材料的某一临界值时，裂纹就将发生扩展。前者的临界能量就是裂纹表面能，后者的临界应力场就是断裂韧度。

众所周知，裂纹大体分为三类，I,II,III，文献3中有详述。这里只对第一类裂纹举例。

如上图所示的裂纹中，应力强度因子的表达式为

由此可知，应力强度因子与裂纹尖端附近区域内点的坐标无关，它与应力场有关，与裂纹的形状和裂纹的尺寸及方向有关，与载荷的大小和作用方向有关，与材料的某些常数有关，所以应力强度因子可以有效地反映裂纹尖端应力场强度。用abaqus可以算出裂纹尖端的应力强度因子如下图所示，但是临界应力强度因子既断裂韧性却是一个固定的常数，是材料本身的属性，需要做试验确定。

裂纹表面能与应力强度因子的关系为

rosepianist · 发表于 2011-10-9 15:48:26

第三，断裂韧性的测量方法。

对于断裂韧性，有很多很多种测量方法，电测、光测、声测、电磁测量，等等，文献2中有具体描述。但现在最容易实现也最常见的是三点弯曲测量方法。

现就这种方法对于石膏的断裂韧性测量方法简述：

三点弯曲实验加载力P,最大断裂载荷就是临界载荷，代入式（5）、（6）中就可以得到断裂韧性

1）实验设备：组合实验台的拉伸装置，三点弯曲夹具，游标卡尺，引伸计，电阻片

2）拉伸机试样制备

将石膏粉按水膏比2:1的比例倒入水中，搅拌均匀后放入磨具中，脱模后放入烘干机中烘干待用。石膏为10mm*10mm*90mm的板条试样，制造规整试件10件，试样两底面在磨片机上磨平，平行度小于0.1mm/cm。

3）三点弯曲试样制备

取出之前制备好的10件试样。预制疲劳裂纹。用夹劈型刃具，控制加压载荷，获得不同大小尺寸的近似半椭圆缺口，如下图所示，a/W=0.5。。之后用三点弯曲方法预制疲劳裂纹。三点弯曲疲劳时，将人工缺口朝上正对下压头。疲劳裂纹长度最好大于1.3mm，或应大于裂纹总长度的5%。

4）将试样置于三点弯曲系统中，如下图所示。

在拉伸试验机上加载，最好在1~3min中内拉断，记录下最大载荷Pmax计算KIC。

rosepianist · 发表于 2011-10-9 15:48:50

参考文献
[1] 先进纤维增强复合材料性能测试/(英) J.M.霍奇金森主编白树林, 戴兰宏, 张庆明译出版发行项:北京:化学工业出版社,2005
[2] 刘宝琛实验断裂、损伤力学测试技术机械工业出版社,1994.9
[3] 脆性断裂力学/（苏）切列帕诺夫(Черепанов，Г.П.)著黄克智等译出版发行项:北京:科学出版社,1990

liuxb · 发表于 2011-10-9 17:36:15

太感谢版主了！

hangt4 · 发表于 2011-10-10 10:21:54

很受用能把参考文献上传就跟好了

华中小泽 · 发表于 2011-10-10 13:32:08

感谢版主

C.DRAGON.W · 发表于 2011-10-10 14:54:40

楼主辛苦，但是有一点不明白，裂纹表面能与应力强度因子的关系的表达式中G在断裂力学书中是表面能和单位面积所消耗的塑性变形功，不知道是一个意思，还是确实是需要加上塑性变形功，谢谢楼主。

lduwang · 发表于 2011-10-10 15:47:20

谢谢楼主的无私奉献，顶起！

changchenjie · 发表于 2011-10-10 16:11:27

顶起！！！正在迷糊这个问题不过我得消化消化

rosepianist · 发表于 2011-10-10 19:59:29

C.DRAGON.W 发表于 2011-10-10 14:54
楼主辛苦，但是有一点不明白，裂纹表面能与应力强度因子的关系的表达式中G在断裂力学书中是表面能和单位面 ...

我认为裂纹表面能就是裂纹断裂时所需要的能量，也就是你所说的变形功。很多书翻译过来的名字都不一样，每个学者的叫法有时候也不同，但其实都是一个意思。就是你裂纹尖端那里，裂纹拼命想要开裂，但是内部还有分子内力不让它开裂，一旦受到的外力所做的功达到了裂纹尖端开裂所需要的能量，立刻断裂。这个能量，就是G.

rosepianist · 发表于 2011-10-10 20:00:34

hangt4 发表于 2011-10-10 10:21
很受用能把参考文献上传就跟好了

我上面列出的三本文献都是书籍，没有办法上传。过段时间我会把手中的文献写个综述，汇总上传。大概50MB,需要时间慢慢来

C.DRAGON.W · 发表于 2011-10-11 10:05:00

rosepianist 发表于 2011-10-10 19:59
我认为裂纹表面能就是裂纹断裂时所需要的能量，也就是你所说的变形功。很多书翻译过来的名字都不一样，每 ...

楼主按照你的理解，你用过断裂能计算么，就是通过K来得到G，然后把G输入到ABAQUS中，计算XFEM裂纹扩展，如果计算过，请问楼主的计算结果和实际相符么，谢谢。

rosepianist · 发表于 2011-10-11 10:58:28

本帖最后由 rosepianist 于 2011-10-11 11:02 编辑

C.DRAGON.W 发表于 2011-10-11 10:05
楼主按照你的理解，你用过断裂能计算么，就是通过K来得到G，然后把G输入到ABAQUS中，计算XFEM裂纹扩展， ...

呃，我就是酱紫算的。因为大多数材料给出的都是断裂韧性K而不是G.但是我木有验证仿真结果是否正确，因为那需要实验。如果做出来了，那我觉得我就可以毕业了。。。。
哎呀呀，不晓得酱紫对不对，求高手解答。

weizil · 发表于 2011-10-11 11:02:05

C.DRAGON.W 发表于 2011-10-10 14:54
楼主辛苦，但是有一点不明白，裂纹表面能与应力强度因子的关系的表达式中G在断裂力学书中是表面能和单位面 ...

G 应该代表的是能量释放率吧。

符号小邪 · 发表于 2011-10-11 15:09:08

楼主,我用xfem模拟断裂,但是提交运算出现了这个错误The damage model has to be specified for enriched element 22591 instance part-1-1,请问你知道是什么原因导致的吗?

rosepianist · 发表于 2011-10-11 16:05:02

符号小邪发表于 2011-10-11 15:09
楼主,我用xfem模拟断裂,但是提交运算出现了这个错误The damage model has to be specified for enriched el ...

你木有定义xfem裂纹。

符号小邪 · 发表于 2011-10-11 16:33:20

rosepianist 发表于 2011-10-11 16:05
你木有定义xfem裂纹。

我在special里面定义了啊

符号小邪 · 发表于 2011-10-11 16:35:28

rosepianist 发表于 2011-10-11 16:05
你木有定义xfem裂纹。

楼主能加你Q不？

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[断裂与失效] abaqus断裂韧性扫盲贴

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