有限元中裂纹模拟之2D裂纹在MSC.Patran中的创建

tt06601

看到好多朋友谈论裂纹的模拟以及裂纹扩展等等，尤其在Ansys中裂纹创建，因本人手头暂时没安装Ansys，故在MSC.patran中就裂纹创建和裂纹扩展等问题就个人经验做一分享，愚见而已，还望抛砖引玉。
这里讨论的裂纹都是Griffth裂纹，且裂纹面为自由表面，LEFM理论范围内。对2D裂纹，一般的做法是创建两条分属于上下裂纹面的线，且两条线重合。
第一步，如图所示，裂纹尖端为P，创建以裂纹点P切割开的四个面1~4，此时已经形成了上下两条裂纹面，但有多余的几何边界存在。

第二步，对裂纹所在面划分单元


第三步，对除裂纹上下面节点以外的重合节点进行消除（裂纹尖端为一个点，故也进行消除重合节点），即生成裂纹



第四步，检查裂纹，自由边界即为裂纹上下表面（2D即为线）



给出计算结果




这里的例子仅提供一种创建裂纹的思路，简单的说，就是在裂纹处分割，然后创建上下裂纹表面和裂纹尖端。当然，若要得到精确的断裂参量，如应力强度因子K等，需要在裂尖进行细化。
Ansys里面创建裂纹也是一样的思路。只不过Ansys在生成几何面的时候，可以用多个点和线来自由围成，稍显方便和简单。

ywh362568

给我扫盲了，谢谢楼主
好像大致是这个意思，对吗？
希望有裂纹的地方保留重合节点（两条边界），即留下自由边界，在载荷作用下，两端自然脱开

我没做过这方面的，提个想法哈，很不成熟的。在nastran好像不好实现，不知道marc可不可以。

大概是这样，在希望产生裂纹的单元（比如你图中的自由边界处的上下面）处赋予不同的材料属性（使得他们应力增长速度更快）；这两个自由边界上的单元的材料属性应该比其他地方差。

在载荷的作用下，希望产生裂纹的地方（你的自由边界处）应力高于其他地方。然后引入一个功能：对应力较大的单元宣判其生死，有个阀值来参照，比如设置一个极限应力，小于这个数值的单元保留，大于这个数值的直接删除掉。

不知道marc有没有这样删除单元的，不过删除单元影响了系统的整体质量，不过不知道这样做个效果在方法上是否可行。

不知道讲清楚了没有，先这样

tt06601

你说的当做裂纹萌生或扩展的一种模型，自己研究可以，要真正能应用在工程实际中，似乎难。
还有，你赋予不同的材料属性，没有根据，而且宏观断裂力学研究的一个目的，就是当知道结构形式，裂纹长度和载荷以及材料属性之后，我们就可以得到表征裂纹尖端特性的参量，而不用太细究材料的微观特征和局部属性，工程实践证明，的确如此。
同时，如果要对裂纹尖端的局部区域进行考量，删除单元你要做什么？模拟裂纹并非为了得到裂尖的那些高应力，因为那些应力实在太不靠谱了，这就是为什么应力强度因子K的计算公式中，应力指的是远端应力，也就是外载荷除以毛面积。

ywh362568

谢谢，继续接受扫盲
我是机械的，没有学过断裂力学。。
你说的 宏观断裂力学研究的一个目的，就是当知道结构形式，裂纹长度和载荷以及材料属性之后，我们就可以得到表征裂纹尖端特性的参量，而不用太细究材料的微观特征和局部属性
针对宏观问题感觉瞒有道理的，你说的裂纹尖端特性的参量指的是？

我开始删除单元的想法是希望看到裂纹效果，即删除掉后，那边就少了一块，看起来像裂开的感觉。

应力强度因子K的计算公式中，应力指的是远端应力，也就是外载荷除以毛面积。
你说的远端应力在上面裂纹模拟图中的话，是不是指的提取裂尖左边区域没裂开的地方的一个应力值？

tt06601

我也是略懂皮毛，不过就个人感受随意说来而已。首先，特征参量即应力强度因子K（线弹性断裂力学范围），弹塑性当然也有，比如J积分。但应力强度因子K的应用比J要广的多，曾经有人说过：20世纪最伟大的发现之一就是这个K。其次，你说的删除单元像裂开的感觉，想法的确很有新意，我想在裂纹扩展中是否能用到值得研究，但毕竟删除单元已然破坏了结构刚度，力的分布肯定不对。有人提到过类似的方法，不过不是删除单元，而是释放裂纹尖端后面的单元，让其节点力为零（应该是垂直裂纹方向的节点力）。还有，远端应力的概念给个图就明白了


这位兄弟学机械的，能提出这些犀利的问题，很是了得，敬佩

lisen329@163

不错，学习了

happy2008wcb

我刚才照楼主的做了，但是说有9050问题。没有计算结果。。。

wall1314

请教一下楼主，就是设置当应力超过一定值后，删除该单元，该怎么实现！谢谢！

xiaodizheng

不错，学习了

yzwhawk

不错，学习了