斷裂力學(xué)-ansys

1、4-1第四章 第四章 斷裂力學(xué) 斷裂力學(xué)4.1 4.1 斷裂力學(xué)的定義 斷裂力學(xué)的定義裂紋和缺陷會(huì)因?yàn)槟承┰虼嬖谟谠S多結(jié)構(gòu)和零部件中?？赡苁遣牧媳旧砭哂腥毕荨Ａ鸭y可能是制造過程產(chǎn)生的，也可能是后來由于環(huán)境因素產(chǎn)生的。裂紋和缺陷的存在能極大地降低構(gòu)件在載 荷和環(huán)境作用中的完整性。斷裂力學(xué)使用應(yīng)用力學(xué)的概念發(fā)展了對(duì)結(jié)構(gòu)中存在裂紋尖端的應(yīng)力與變形區(qū)的思路。對(duì)裂紋尖端的應(yīng)力與變形區(qū)深入的了解有助于發(fā)展結(jié)構(gòu)的失效安全設(shè)計(jì)和安全壽命設(shè)計(jì)。基于斷裂

2、力學(xué)設(shè)計(jì) 的思想是廣泛使用的，不是局限于核工業(yè)，航空航天，民用，和機(jī)械工程等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀念使用材料強(qiáng)度的方法來設(shè)計(jì)構(gòu)件。這種方法沒有考慮裂紋存在的高應(yīng)力水平。這種應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)災(zāi)難性的失效。斷裂力學(xué)研究的是結(jié)構(gòu)中的裂紋和缺陷。斷裂力學(xué)的方法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)把缺陷大小作為一個(gè)重要變量，并且用斷裂韌度作為等效的材料參數(shù)取代材料強(qiáng)度。斷裂力學(xué)分析常采用能量準(zhǔn)則或應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則。當(dāng)使用能量準(zhǔn)則時(shí)，裂紋單位延伸所需的能量（能量釋放率）表

3、現(xiàn)為斷裂韌度。當(dāng)使用應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則時(shí)，應(yīng)力和變形的幅值的臨界值表 現(xiàn)為斷裂韌度。在某些情況下，此兩種準(zhǔn)則是等效的。4.1.1 .1 斷裂模式 斷裂模式依據(jù)失效運(yùn)動(dòng)方式（裂紋兩個(gè)表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系）可分為三種斷裂模式，見圖4-1。 模式Ⅰ—— 拉斷或拉伸模式（Opening or tensile mode） 模式Ⅱ—— 剪斷或滑移模式（Shearing or sliding mode） 模式Ⅲ—— 撕斷或面外模式（Tearing or

4、out-of-plane mode） 斷裂通常表現(xiàn)為幾種模式的混合。圖4-1 斷裂模式示意圖4.1.2 斷裂力學(xué)參數(shù) 斷裂力學(xué)參數(shù)典型的斷裂力學(xué)參數(shù)描述裂紋尖端前面的能量釋放率或應(yīng)力位移幅。 下面的參數(shù)廣泛用于斷裂力學(xué)分析：應(yīng)力強(qiáng)度因子 能量釋放率 J-積分應(yīng)力強(qiáng)度因子和能量釋放率局限于線彈性的斷裂力學(xué)。J-積分對(duì)線彈性和非線性彈塑性材料均適用。4.1.2.1 2.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子 應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)于線彈性材料裂紋尖端前面的應(yīng)力應(yīng)變區(qū)可表

5、達(dá)為：4-3為：這里σ0 是參考應(yīng)力 （材料的屈服應(yīng)力） ， 并且ε0 = σ0/E，α是無量綱常數(shù)， n 是硬化指數(shù)(hardeningcomponent)。它們說明在靠近裂紋尖端非常近的距離內(nèi)和在塑性去，裂紋尖端的應(yīng)力和應(yīng)變分別表 達(dá)為：和對(duì)于彈性材料，n=1，并且上述的方程預(yù)示 是一個(gè)與線彈性斷裂力學(xué)的奇點(diǎn)。4.1.3 裂紋擴(kuò)展模擬 裂紋擴(kuò)展模擬裂紋擴(kuò)展是兩個(gè)表面相互分離的現(xiàn)象，或者說材料在外力作用下發(fā)生的損壞日益增多。ANSYS

6、為模擬這種失效提供了兩種方法。附著區(qū)方法（The Cohesive Zone Approach） Gurson模型（Gurson’s Model）4.1.3.1 3.1 附著區(qū)方法（ 附著區(qū)方法（The The Cohesive Cohesive Zone Zone Approach Approach）這種方法利用界面或接觸單元使表面分離和粘接材料模型來描述表面的分離特征。此方法既可應(yīng)用于均一材料斷裂模擬也可應(yīng)用于兩種材料有分層界面的情

7、況。更詳細(xì)信息參見《“Interface Delamination and Failure Simulation“》。4.1.3.2 3.2 Gurson Gurson模型（ 模型（Gurson Gurson’ ’ ’ ’s Model Model）Gurson模型是一種塑性模型，用于模擬韌性金屬斷裂。此模型是基于微觀力學(xué)的延展損壞模型，它在塑性結(jié)構(gòu)方程中結(jié)合了空隙體積分?jǐn)?shù)來描述空隙擴(kuò)展、空隙結(jié)晶和空隙合并的韌性損壞過程。 更詳細(xì)信息參

8、見《Theory Reference for ANSYS and ANSYS Workbench》中的《Gurson's Model》和 GURSON命令文件。4.2 4.2 斷裂力學(xué)的求解 斷裂力學(xué)的求解斷裂分析是應(yīng)力分析和斷裂力學(xué)參數(shù)計(jì)算的結(jié)合。 應(yīng)力分析是標(biāo)準(zhǔn)的ANSYS線性分析或非線性塑性分析。由于裂紋尖端區(qū)域高應(yīng)力梯度的存在，含有裂紋的構(gòu)件的有限元模型須要對(duì)裂紋區(qū)特殊考慮。 裂紋尖端區(qū)域的2-D 和 3-D的表示法以及