Abaqus：Abaqus疲勞與斷裂分析技術(shù)教程.Tex.header

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Abaqus：Abaqus疲勞與斷裂分析技術(shù)教程1Abaqus:疲勞與斷裂分析教程1.1緒論1.1.1Abaqus簡介Abaqus是一款由DassaultSystèmes開發(fā)的高級有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、航空航天、汽車制造等多個領(lǐng)域。它能夠處理復(fù)雜的非線性問題，包括大變形、接觸、斷裂力學(xué)、疲勞分析等，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和預(yù)測的重要工具。1.1.2疲勞與斷裂分析的重要性疲勞與斷裂分析對于評估材料和結(jié)構(gòu)在反復(fù)載荷作用下的壽命至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，許多結(jié)構(gòu)件如橋梁、飛機(jī)部件、汽車零件等，都可能遭受周期性載荷，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的失效。通過疲勞與斷裂分析，工程師可以預(yù)測這些結(jié)構(gòu)的壽命，優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保安全性和可靠性。1.1.3Abaqus在疲勞分析中的應(yīng)用Abaqus提供了強(qiáng)大的疲勞分析模塊，能夠模擬材料在復(fù)雜載荷下的疲勞行為。它支持多種疲勞準(zhǔn)則，如S-N曲線、Goodman修正、Miner累積損傷理論等，以及斷裂力學(xué)分析，如J積分、CTOD（裂紋尖端開口位移）和G值（能量釋放率）的計(jì)算。通過這些工具，用戶可以精確地評估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和斷裂安全性。1.2疲勞分析基礎(chǔ)1.2.1疲勞準(zhǔn)則在Abaqus中，疲勞分析通常基于S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線）進(jìn)行。S-N曲線描述了材料在不同應(yīng)力水平下達(dá)到疲勞失效的循環(huán)次數(shù)。例如，對于某種材料，當(dāng)應(yīng)力水平為100MPa時，可能需要10^6次循環(huán)才會發(fā)生疲勞失效。#示例：定義S-N曲線

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#創(chuàng)建材料屬性

material=session.odbs['myModel.odb'].materials['MyMaterial']

material.FatigueSNDefinition(

definition=STRESS_LIFE,

stressLifeTable=((100,1e6),(200,1e5),(300,1e4)),

temperatureDependency=ON,

dependencies=(1,),

temperature=(20,),

frequency=1,

cyclicTimePeriod=0.1,

cyclicTimeShift=0,

cyclicTimeShiftDependency=OFF,

cyclicTimeShiftTable=(),

cyclicTimeShiftFrequency=1,

cyclicTimeShiftCyclicTimePeriod=0.1,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShift=0,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftDependency=OFF,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftTable=(),

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftFrequency=1,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimePeriod=0.1,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShift=0,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftDependency=OFF,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftTable=(),

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftFrequency=1,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimePeriod=0.1,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShift=0,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftDependency=OFF,

cyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftCyclicTimeShiftTable=()

)1.2.2疲勞分析流程定義材料屬性：包括彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等，以及疲勞和斷裂相關(guān)的參數(shù)。建立模型：創(chuàng)建幾何模型，定義網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和載荷。進(jìn)行靜力或動力分析：計(jì)算結(jié)構(gòu)在載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變。疲勞分析：基于計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用疲勞準(zhǔn)則進(jìn)行壽命預(yù)測。后處理：分析疲勞損傷分布，評估結(jié)構(gòu)的安全性。1.3斷裂分析技術(shù)1.3.1J積分J積分是評估裂紋尖端能量釋放率的一種方法，是斷裂力學(xué)分析中的關(guān)鍵參數(shù)。在Abaqus中，可以使用J積分來預(yù)測裂紋的擴(kuò)展路徑和速度。#示例：計(jì)算J積分

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#打開ODB文件

odb=session.openOdb(name='myModel.odb')

#獲取裂紋尖端節(jié)點(diǎn)

crackTipNode=odb.rootAssembly.instances['PART-1'].nodes[100]

#計(jì)算J積分

J=crackTipNode.JIntegral()

print('J積分值:',J)1.3.2CTOD（裂紋尖端開口位移）CTOD是衡量裂紋尖端位移的指標(biāo)，對于評估裂紋擴(kuò)展的臨界條件非常重要。在Abaqus中，可以通過定義裂紋面和裂紋尖端，自動計(jì)算CTOD值。#示例：定義裂紋面和計(jì)算CTOD

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#創(chuàng)建裂紋面

crackSurface=session.odbs['myModel.odb'].rootAssembly.surfaces['CrackSurface']

#計(jì)算CTOD

CTOD=crackSurface.CTOD()

print('CTOD值:',CTOD)1.3.3G值（能量釋放率）G值是裂紋擴(kuò)展的能量指標(biāo)，反映了裂紋擴(kuò)展所需的能量。在Abaqus中，G值可以通過J積分或直接定義的斷裂韌性來計(jì)算。#示例：計(jì)算G值

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#計(jì)算G值

G=crackTipNode.JIntegral()*crackTipNode.thickness

print('G值:',G)1.4結(jié)論Abaqus的疲勞與斷裂分析功能為工程師提供了強(qiáng)大的工具，用于預(yù)測和評估結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷下的性能。通過合理設(shè)置材料屬性、應(yīng)用疲勞準(zhǔn)則和斷裂分析技術(shù)，可以有效地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全性評估。以上示例展示了如何在Abaqus中進(jìn)行疲勞和斷裂分析的基本操作，但實(shí)際應(yīng)用中可能需要更復(fù)雜的模型和更詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置。2Abaqus:疲勞與斷裂分析教程2.1基礎(chǔ)設(shè)置2.1.1創(chuàng)建Abaqus模型在開始疲勞與斷裂分析之前，首先需要在Abaqus中創(chuàng)建一個模型。這包括定義幾何形狀、網(wǎng)格劃分、以及選擇合適的單元類型。步驟1:定義幾何形狀使用Abaqus/CAE的Part模塊來定義幾何形狀。例如，創(chuàng)建一個簡單的矩形板：fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

frompartimport*

fromsectionimport*

fromassemblyimport*

fromstepimport*

frominteractionimport*

fromloadimport*

frommeshimport*

fromjobimport*

fromsketchimport*

fromvisualizationimport*

fromconnectorBehaviorimport*

#創(chuàng)建一個新部件

s=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

g,v,d,c=s.geometry,s.vertices,s.dimensions,s.constraints

s.setPrimaryObject(option=STANDALONE)

#定義矩形板的尺寸

s.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,50.0))

#創(chuàng)建部件

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Plate',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Plate']

p.BaseShell(sketch=s)

s.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Plate']步驟2:網(wǎng)格劃分使用Mesh模塊來劃分網(wǎng)格。這里我們使用自由網(wǎng)格劃分：#選擇要劃分的面

f=p.faces

pickedFaces=f.findAt(((50.0,25.0,0.0),))

p.setMeshControls(regions=pickedFaces,technique=FREE)

#定義網(wǎng)格尺寸

p.seedPart(size=5.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

#劃分網(wǎng)格

p.generateMesh()2.1.2定義材料屬性在Abaqus中，材料屬性的定義對于疲勞與斷裂分析至關(guān)重要。這里我們定義一個簡單的線彈性材料：frommaterialimport*

frommaterialimportelastic

#創(chuàng)建材料

mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')

#定義材料屬性

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200e3,0.3),))2.1.3設(shè)置邊界條件和載荷邊界條件和載荷的設(shè)置直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，固定一端并施加力：fromboundaryConditionimport*

fromloadimport*

#創(chuàng)建邊界條件

region=p.sets['Set-1']

mdb.models['Model-1'].DisplacementBC(name='Fixed',createStepName='Initial',region=region,u1=SET,u2=SET,u3=SET,ur1=SET,ur2=SET,ur3=SET,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#創(chuàng)建載荷

region=p.sets['Set-2']

mdb.models['Model-1'].ConcentratedForce(name='Load',createStepName='Step-1',region=region,cf1=1000.0,amplitude=UNSET,distributionType=UNIFORM,field='',localCsys=None)以上步驟為疲勞與斷裂分析提供了基礎(chǔ)設(shè)置，包括模型創(chuàng)建、材料屬性定義、以及邊界條件和載荷的設(shè)置。接下來的分析步驟將基于這些設(shè)置進(jìn)行。3疲勞分析基礎(chǔ)3.1理解疲勞分析理論疲勞分析是評估材料在循環(huán)載荷作用下發(fā)生破壞可能性的一種方法。在Abaqus中，疲勞分析基于S-N曲線和損傷累積理論。S-N曲線描述了材料在不同應(yīng)力水平下的壽命，而損傷累積理論（如Palmgren-Miner線性損傷理論）則用于計(jì)算在不同應(yīng)力水平下的損傷累積。3.1.1S-N曲線S-N曲線是疲勞分析的基礎(chǔ)，它表示材料的應(yīng)力幅（S）與材料在該應(yīng)力幅下能承受的循環(huán)次數(shù)（N）之間的關(guān)系。在Abaqus中，可以通過輸入材料的S-N數(shù)據(jù)來定義材料的疲勞特性。示例數(shù)據(jù)應(yīng)力幅S(MPa)循環(huán)次數(shù)N1001000000150500000200200000250100000300500003.1.2Palmgren-Miner線性損傷理論P(yáng)almgren-Miner線性損傷理論假設(shè)，材料的總損傷是各個應(yīng)力水平下?lián)p傷的線性疊加。損傷累積可以通過以下公式計(jì)算：D其中，D是總損傷，Ni是在特定應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)，N3.2設(shè)置疲勞分析參數(shù)在Abaqus中進(jìn)行疲勞分析，需要設(shè)置一系列參數(shù)，包括材料的疲勞特性、載荷循環(huán)、損傷累積準(zhǔn)則等。3.2.1材料疲勞特性在Abaqus中，可以通過以下步驟定義材料的疲勞特性：在材料模塊中選擇材料。定義材料的S-N曲線。設(shè)置材料的疲勞損傷模型。示例代碼#定義材料的S-N曲線

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromfatigueModuleimport*

session.fatigueOptions.setValues(displaySNCurve=True)

#創(chuàng)建材料

myMaterial=mdb.models['Model-1'].materials['Steel']

#定義S-N數(shù)據(jù)

snData=((100,1000000),(150,500000),(200,200000),(250,100000),(300,50000))

#設(shè)置疲勞損傷模型

myMaterial.fatigueDamagePlasticity(snc=SN_DATA,snr=snData)3.2.2載荷循環(huán)載荷循環(huán)的定義對于疲勞分析至關(guān)重要，它描述了材料在不同應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)。示例代碼#定義載荷循環(huán)

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromfatigueModuleimport*

#創(chuàng)建載荷循環(huán)

myCycle=mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].fatigueCycles.createCycle(

name='Cycle-1',

cycles=10000,

stressAmplitude=200,

meanStress=100

)3.3執(zhí)行疲勞分析執(zhí)行疲勞分析需要在Abaqus中創(chuàng)建分析步，并設(shè)置相應(yīng)的疲勞分析選項(xiàng)。3.3.1創(chuàng)建分析步在Abaqus中，疲勞分析通常在靜態(tài)或動力學(xué)分析步之后進(jìn)行。示例代碼#創(chuàng)建分析步

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromfatigueModuleimport*

#創(chuàng)建疲勞分析步

mdb.models['Model-1'].StaticStep(

name='Fatigue_Analysis',

previous='Step-1',

description='Fatigueanalysisstep'

)

#設(shè)置疲勞分析選項(xiàng)

mdb.models['Model-1'].steps['Fatigue_Analysis'].setValues(

fatigue=ON,

fatigueDamageModel='DamagePlasticity'

)3.3.2分析結(jié)果疲勞分析的結(jié)果通常包括損傷累積、疲勞壽命預(yù)測等。在Abaqus中，可以通過后處理模塊查看這些結(jié)果。示例代碼#查看損傷累積結(jié)果

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#打開結(jié)果文件

myOdb=session.openOdb(name='myJob.odb')

#獲取損傷累積結(jié)果

myStep=myOdb.steps['Fatigue_Analysis']

myField=myStep.frames[-1].fieldOutputs['DAMAGE']

#顯示結(jié)果

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=myOdb)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(

step='Fatigue_Analysis',

frame=1,

field='DAMAGE'

)通過以上步驟，可以詳細(xì)地在Abaqus中進(jìn)行疲勞分析，從理論理解到參數(shù)設(shè)置，再到結(jié)果查看，每一步都提供了具體的操作指南和代碼示例。4Abaqus:斷裂分析基礎(chǔ)4.1理解斷裂力學(xué)原理斷裂力學(xué)是研究材料在裂紋存在下行為的學(xué)科，它主要關(guān)注裂紋的擴(kuò)展條件和控制裂紋擴(kuò)展的方法。在Abaqus中，斷裂分析通常涉及以下關(guān)鍵概念：應(yīng)力強(qiáng)度因子（StressIntensityFactor,SIF）:描述裂紋尖端應(yīng)力場的強(qiáng)度。SIF是斷裂分析中的重要參數(shù)，其計(jì)算公式為：K其中，σ是遠(yuǎn)場應(yīng)力，a是裂紋長度，b是裂紋的半寬度，W是試件的寬度，f是幾何因子。斷裂韌性（FractureToughness,KIC）:材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。當(dāng)SIF超過材料的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則（CrackPropagationCriterion）:描述裂紋如何在不同應(yīng)力狀態(tài)下擴(kuò)展的規(guī)則。最常用的準(zhǔn)則之一是ParisLaw，它描述了裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度之間的關(guān)系：d其中，da/dN是裂紋擴(kuò)展速率，ΔK4.2設(shè)置斷裂分析參數(shù)在Abaqus中進(jìn)行斷裂分析，需要設(shè)置一系列參數(shù)以確保分析的準(zhǔn)確性和有效性。以下是一些關(guān)鍵步驟：定義材料屬性:在Abaqus/CAE中，選擇材料（Material）模塊，然后添加材料屬性，包括彈性模量、泊松比、斷裂韌性等。創(chuàng)建裂紋:使用交互式（Interactive）或腳本（Scripting）方式在模型中定義裂紋。裂紋可以是預(yù)定義的，也可以是分析過程中動態(tài)生成的。設(shè)置分析步:在分析步（Step）模塊中，定義分析步，包括線性彈性分析、塑性分析、斷裂分析等。對于斷裂分析，通常需要設(shè)置裂紋擴(kuò)展（CrackPropagation）分析步。定義裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則:在裂紋擴(kuò)展（CrackPropagation）分析步中，指定裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，如ParisLaw，并輸入相應(yīng)的材料常數(shù)C和m。設(shè)置輸出請求:在輸出（Output）模塊中，定義需要輸出的數(shù)據(jù)，如SIF、裂紋長度、裂紋擴(kuò)展速率等。4.3執(zhí)行斷裂分析執(zhí)行斷裂分析涉及模型的建立、邊界條件的設(shè)定、載荷的施加以及分析的運(yùn)行。以下是一個簡單的示例，展示如何在Abaqus中執(zhí)行一個基本的斷裂分析：#Abaqus腳本示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#創(chuàng)建模型

model=mdb.models['Model-1']

#定義材料屬性

material=model.materials['Steel']

material.Elastic(table=((200e3,0.3),))

material.FractureToughness(table=((50,0.002),))

#創(chuàng)建裂紋

crack=model.ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

crack.Line(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,0.0))

crack.Line(point1=(100.0,0.0),point2=(100.0,50.0))

part=model.parts['Part-1']

part.PartitionFaceByShortestPath(faces=part.faces.findAt((50.0,25.0,0.0),),

point1=(0.0,0.0,0.0),point2=(100.0,50.0,0.0))

#設(shè)置分析步

step=model.StaticStep(name='CrackPropagation',previous='Initial')

step.setValues(stabilizationMethod=DAMPING_FACTOR,stabilizationMagnitude=0.05)

#定義裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則

model.CrackPropagationStep(name='CrackProp',previous='CrackPropagation',

crackGrowthIncrement=0.1,maxNumInc=1000)

model.crackGrowthStep['CrackProp'].setValues(analysisType=CRACK_PROPAGATION,

crackGrowthCriterion=PARIS_LAW,

c=1e-12,m=3.0)

#設(shè)置輸出請求

model.HistoryOutputRequests['SIF']

model.FieldOutputRequests['CrackLength']

#運(yùn)行分析

['Job-1'].submit()

['Job-1'].waitForCompletion()4.3.1示例解釋在上述腳本中，我們首先創(chuàng)建了一個模型，并定義了材料屬性，包括彈性模量和斷裂韌性。接著，我們通過ConstrainedSketch創(chuàng)建了一個裂紋，并使用PartitionFaceByShortestPath將其添加到模型的零件中。然后，我們設(shè)置了兩個分析步：一個用于靜態(tài)分析，另一個用于裂紋擴(kuò)展分析。在裂紋擴(kuò)展分析步中，我們指定了裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則為ParisLaw，并輸入了材料常數(shù)C和m。最后，我們定義了輸出請求，包括SIF和裂紋長度，并運(yùn)行了分析。通過以上步驟，Abaqus能夠模擬裂紋在不同載荷下的行為，預(yù)測裂紋的擴(kuò)展路徑和速率，從而幫助工程師評估材料的斷裂性能和結(jié)構(gòu)的可靠性。以上內(nèi)容詳細(xì)介紹了在Abaqus中進(jìn)行斷裂分析的基礎(chǔ)原理、參數(shù)設(shè)置和分析執(zhí)行過程。通過理解和應(yīng)用這些概念，可以有效地進(jìn)行斷裂分析，為材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。5Abaqus:高級分析技術(shù)5.1復(fù)合材料疲勞分析5.1.1原理復(fù)合材料疲勞分析在Abaqus中主要通過考慮材料的非線性行為和損傷累積模型來實(shí)現(xiàn)。復(fù)合材料因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和各向異性特性，在疲勞分析中需要特別的考慮。Abaqus提供了多種復(fù)合材料損傷模型，如Puck模型、Tsai-Wu模型等，用于預(yù)測復(fù)合材料在多軸載荷下的損傷累積和失效。5.1.2內(nèi)容在進(jìn)行復(fù)合材料疲勞分析時，首先需要定義復(fù)合材料的層和鋪層方向，然后設(shè)置材料屬性，包括彈性模量、泊松比、強(qiáng)度和斷裂韌性等。接著，選擇合適的損傷模型，并定義載荷和邊界條件。最后，通過后處理模塊查看損傷累積結(jié)果和預(yù)測的壽命。示例#定義復(fù)合材料層

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#創(chuàng)建復(fù)合材料層

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

session.Viewport(name='Viewport:1',origin=(0.0,0.0),width=128.0,height=96.0)

session.viewports['Viewport:1'].makeCurrent()

session.viewports['Viewport:1'].maximize()