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1、建材世界2010年 第31卷 第2期基于ANSYS的应力强度因子计算王 伟(湖北超高压输变电公司,武汉430050)摘 要:以平板表面裂纹为例,介绍和分析了运用有限元软件ANSYS计算应力强度因子的方法。通过对求得的应力强度因子值与解析解的比较,表明用有限元方法计算应力强度因子具有相当高的精度,并且操作简便。关键词:ANSYS; 表面裂纹; 应力强度因子CalculatetheStressIntensityFactorbytheFiniteElementSoftwareANSYSWANGWei(H
2、ubeiEHVTransmission&SubstationCompany,Wuhan430050,China)Abstract:Takingtheplanewithsurfacecrackasanexample,itconductstheintroductionandanalysisoftheuseoffiniteelementsoftwareANSYScalculationofstressintensityfactorapproach.Itobtainedthroughthestressint
3、ensityfactorvalueswiththeanalyticsolutionofthecomparison,showingthatthefiniteelementmethodusingthestressintensityfactorhasaveryhighprecisionandeasytouse.Keywords:ANSYS;surfacecrack;stressintensityfactor 断裂力学是研究带裂纹材料或结构的强度以及1 裂纹体结构裂纹扩展规律的一门学科。在结构有裂纹时,
4、常规强度准则就不再使用,断裂力学提出了应力强度因板宽W=100mm,t=12mm的板中有,a=1子的概念,即裂纹端部应力场强度由应力强度因子mm,c=5mm的半椭圆表面裂纹,受拉伸载荷σ=度量,因此应用断裂力学来解决实际工程问题时,必600MPa作用。弹性模量E=207GPa,泊松比=[2]须首先确定裂纹尖端的应力强度因子。0.3。关于各种情况的应力强度因子,国内外有很多学者进行了大量研究工作,我国航空研究院在广泛收集国内外最新研究成果的基础上编制了一本新的[1]应力强度因子手册,然而对于许多不规
5、则的结构形式,手册中并没有涉及。随着计算机技术和有限元理论的发展,使裂纹仿真成为可能,可以通过大型通用有限元软件计算裂纹尖端应力强度因子。该文以带三维表面裂纹平板为例,运用ANSYS有限元分析软件,创建了含三维表面裂纹的平板有限元实体模型,并计算了裂纹尖端的应力强度因子。图1 含中心表面裂纹平板76建材世界2010年 第31卷 第2期放大图。2 裂纹体建模AYSYS有限元裂纹体建模方法的主要思路是:将含裂纹构件中包含裂纹部分的小块体积视为局部裂纹体,分别创建整体模型和局部裂纹体模型;对整体模型和局
6、部裂纹体模型进行布尔运算,将含有裂纹部分的局部体积从整体结构中分离出来;再将含图5 整个裂纹体裂纹面以外的实体粘接在一起,完成带裂纹体模型的创建;对含裂纹部分进行特殊的单元网格划分,余下的非裂纹体采用常规网格划分,从而生成整个裂[4]纹体有限元模型。具体实现方法如下:1)建立不含裂纹的1/2平板实体模型(见图2)图6 扣除裂纹体模型的模型局部放大图6)选取图5所示的裂纹体中包含裂尖点的4块小体积,见图7,采用对裂尖所在表面上的4块面[3,4]积进行二维网格划分(裂纹尖端附近利用AN2SYS前处理命
7、令生成二维的奇异单元)如图8所示。图2 不含裂纹的平板模型2)在裂纹尖端附近沿裂纹长度方向创建3块图7 裂尖位置示意图面积(见图3)图3 椭圆面3)3块面积组合在一起,同时沿Y轴正方向拉伸,生成含半边裂纹面的半裂纹体(见图4)图8 裂纹面7)将所生成的面网格沿裂纹深度方向进行体扫掠网格划分生成三维单元,见图9。图4 半裂纹体4)同步骤2),创建与之前面积相重合的面积,图9 裂纹体划分网格组合在一起沿Y轴负方向拉伸,生成裂纹体的另半8)对裂纹体(图4)远离裂纹尖端的两块体积及个裂纹面和裂纹体,整个裂
8、纹体模型见图5。图6所示扣除裂纹体部分的体积进行自由网格划5)对不含裂纹的实体平板模型和裂纹体模型分,生成带裂纹体有限元模型(见图10)进行布尔运算,图6为扣除裂纹体模型的模型局部77建材世界2010年 第31卷 第2期4 结 语通过以上分析可以看出,应力强度因子在AN2SYS中的计算是可行的。与传统的利用断裂力学中的公式直接求解相比,利用有限元软件ANSYS来求解应力强度因子是一种简单而准确的方法。参考文献图10 有限元整体模型[1]中国航空研究院.应力强度因子手册[M].北京:
