Marc2014在2014年8月份正式发布,其中包括了许多实用的新功能和原有功能改进,例如新增基于parasolid内核的几何实体的cad接口、以及支持多种商用cad软件模型存储格式的模型导入、特征清理和修改等,除此以外针对裂纹扩展分析Marc2014在原有功能基础上进一步提供了高周疲劳下多条初始裂纹扩展分析功能,可以帮助准确的预测裂纹扩展的路径以及高周疲劳加载的循环次数等。下面通过支架模型进行该功能的介绍和使用方法的演示。
支架底部具有四个螺栓(bolts),用于进行支架的固定约束,在模型中通过四个刚性体定义。在支架顶部连接有圆柱销(pin),用于对支架上端的圆孔(flange1和flange2)加载,该圆柱销通过刚体定义,并指定为载荷控制(load controled)的形式以便施加指定载荷到支架上。
支架有限元模型
初始裂纹位置
通过本例将介绍结构在高周疲劳下,位于支架圆孔处的两条初始裂纹的扩展情况,由于载荷是非对称的,因此两条裂纹的扩展速率有所不同。通过Marc2014可以得到裂纹扩展的路径,并基于Paris法则估计裂纹扩展至边界处所需的循环加载次数。初始裂纹长度为3mm,分别分布在两个圆孔相同高度处(穿过销的中心线位置)。通过Marc提供的初始裂纹创建功能可以基于已有的几何信息(本例中为直线)自动进行初始无裂纹的网格切分,从而自动创建初始裂纹有限元模型。
支架设置为可变形体,在进行裂纹扩展分析时可以按照裂纹扩展的路径进行支架网格的自动重划分。由于网格重划分功能还不支持相交的壳单元结构,因此每个加强筋结构(flange1和flange2)分别指定到一个单独的接触体中。通过粘接(glue)将各个加强筋与主体(plateandstiff)连接到一起。同时支架底板通过粘接与四个螺栓对应的刚性体连接在一起。
接触体定义和接触关系设置
基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT),为获得裂纹扩展的路径,这里将使用Maximum Hoop Stress 准则计算裂纹扩展。通过提供的Fixed with Scaling选项可以实现两条不同裂纹的扩展速率间的比例缩放从而完成高周疲劳的计算。采用Paris法则进行疲劳循环次数计数。这里Crack Growth Scale Method定义--应如何进行两条裂纹扩展增量的比例缩放。选择fatigue law,表示与循环次数保持一致。这里的一致表示两条裂纹的仿真加载循环次数将十分接近,这正是我们使用Paris法则对扩展增量进行比例缩放的结果。疲劳时间周期设置为1,在加载时应考虑该时间。裂纹扩展增量设置为0.5mm,裂纹到边界的距离约为6mm,因此我们预期裂纹最快可以在12个仿真加载循环后到达边界处。
裂纹扩展(基于虚拟裂纹闭合技术)
初始裂纹创建
圆柱销刚体通过载荷控制的形式进行定义,控制节点用于控制刚体的平动自由度,辅助节点用于控制刚体的转动自由度,这里将约束绕着圆柱销轴向的转动自由度,其余转动自由度释放。载荷为施加在圆柱销控制节点上的强迫位移,分别沿着y向0.01mm和z向0.03mm。该强迫位移对应循环加载前的预载荷,因此这里需要定义两个工况分别定义预载荷(绿色曲线)和循环加载(红色曲线)。循环载荷通过公式输入0.25*(1+sin(2*pi*v1+pi/2))+0.5即可,周期为1,预载荷在0.5秒内施加完成,对应斜线段,此期间完成初始裂纹的生成,对应1个增量步的计算。整个过程的加载曲线如,下图所示:
加载曲线
约束沿着轴向的转动自由度
在控制节点施加的预载荷
在控制节点施加的循环载荷
分别针对具有初始裂纹的两块筋板指定网格重划分,在后续的裂纹扩展分析工况中需要激活,为确保初始网格比较光顺且过渡平滑,因此采用immediate选项在第一个循环加载段进行网格重划分,网格重划分时对单元尺寸的控制将基于distance方式,即在距离裂纹3mm半径的影响(radius of influence)范围内采用较细密的网格划分,例如接近裂纹部位的网格重划后的尺寸控制在0.075mm(near crack),在指定半径影响区域内且远离裂纹的区域采用0.2mm尺寸进行网格重划分。其余部分采用1mm尺寸(element edge length)进行网格重划分。如果初始裂纹已经存在在模型中,那么还可以通过single crack(distance to选项)分别指定相对某一条裂纹的控制参数,这里由于采用了初始裂纹自动创建的选项,因此只能采用All Cracks In Body选项控制,两个筋板的参数一致,具体参考下图的设置:
网格重划分参数设置
根据上述说明分别建立预载荷工况和循环加载工况,预载荷工况在0.5秒内完成,只有一个增量步,同时需要激活初始裂纹自动创建选项;循环加载工况在25秒内完成,对应25个循环加载,为确保裂纹扩展后网格的质量以及扩展路径的准确,第二个工况激活网格重划分选项。最后在任务参数中顺序选择预载荷和循环加载工况,使用大应变分析并提交计算即可。下图为计算得到的不同时刻裂纹自动创建和裂纹扩展的情况。
预载荷工况结束时初始裂纹自动创建
循环加载工况初始时刻进行网格重新划分
循环加载7次后的裂纹扩展情况
循环加载14.5次后裂纹扩展情况(一个裂纹已经扩展到边界)
分析结束时裂纹扩展情况(两条裂纹均已延伸至边界处)
在marc中可以绘制循环次数曲线,通过global variable 工具实现。如下图所示在增量步31时的实际循环次数为383924.对应的高周疲劳循环次数曲线如下所示:
通过上例介绍了Marc2014针对同一模型中包含具有不同的扩展速率的多条初始裂纹的裂纹扩展分析、裂纹扩展路径预测以及循环加载计数的功能和实现方法,基于虚拟裂纹闭合技术Marc2014能够更为准确的模拟在高周疲劳下的多条初始裂纹扩展分析。
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