批量插入0厚度cohesive单元模拟开裂

材料的断裂与失效一直是个备受关注的问题,通常,研究断裂失效有三种方法:实验、理论解析、数值模拟,在很多条件下,我们通过实验分析失效,必须进行大量的实验尝试,这是非常耗时耗力又耗材的,而且在某些极端条件下,实验是无法进行的,而通过理论分析研究失效虽然可以省去大量实验的执行,但是,理论解析对原有的模型进行了大量简化,这在很多时候并不能反映真实的复杂条件下的结果,特别是,如果条件稍微复杂,理论解析便束手无策了,然而,数值模拟是一种研究断裂失效的非常有效的方法,它可以模拟极端条件下的失效,同时,也不必去做大量的实验,只需参数化分析,就可以得到一系列条件下的结果,而且又省时省力,成本也低,最重要的是,数值模拟的结果往往能够反映整个失效过程中的应力变化、塑性变形、裂纹扩展过程等等,这是实验和理论分析很难做到的。将实验或理论解析与数值模拟相结合已经是目前分析问题的主流手法。

ABAQUS是达索公司的一款非线性分析功能极强的有限元软件,一直以来备受欢迎,越来越多的科研工作者投入到ABAQUS的阵营。对于断裂试下分析,ABAQUS也是独具特色,它提供了很多方法进行材料的失效分析。

ABAQUS模拟断裂失效的方法:

1 单元删除法

主要是采用ABAQUS的内置损伤材料笨狗,通过删除失效单元模拟裂纹扩展,主要包括:延性金属损伤、剪切损伤、Johnson-cook损伤、脆性材料损伤、混凝土塑性损伤、纤维增强复合材料损伤(hashin损伤)等等。

2 采用ABAQUS内置的裂纹模拟技术手段

主要是通过采用ABAQUS提供的一些模拟方法实现真裂纹的模拟,主要包括:围道积分法、debond节点解绑(准则:临界应力、COD、裂纹长度与时间、VCCT、低周疲劳)、cohesive element、cohesive surface、xfem(LEFM和粘性片段法)等等。

3 自定义材料笨狗或单元笨狗(umat或uel)

主要是通过自定义损伤材料笨狗或者单元笨狗模拟裂纹扩展,主要包括:usdfld、vusdfld、umat、vumat、uel等等。

ABAQUS中断裂模拟的方法有很多,关键是结合自己的课题及方向,选择最为合适的模拟方法,本人主攻断裂失效模拟分析,而且有很多年的经验,对于ABAQUS中的断裂失效模拟方法都非常熟悉,可以快速地选择最为合适你课题的模拟方法,如果做断裂失效的朋友们遇到任何相关问题,大家可以共同探讨(qq:1057593923)。

对于ABAQUS中的这些诸多失效模拟方法,不再一一详细列出,下面我就重点说一下目前比较流行的任意裂纹扩展分析方法,到目前为止裂纹的任意路径扩展模拟主要有三种方法:1 基于断裂力学,根据计算得到的G或者K与临界值进行比较,设置裂纹的一次扩展长度,更新模型,重新划分网格,再进行下一次计算,这种方法虽然可以实现裂纹的任意路径扩展,但是必须预制裂纹,而且计算十分复杂,实现困难,对于没有什么编程基础的人,几乎很难实现,另外,它对于模拟裂纹的分叉及交叉问题几乎无能为力;2 通过ABAQUS软件中的扩展有限单元法即便XFEM,这种方法对于简单模型的失效分析极为有限,而且与实验吻合较好,而且可以很方便地预制裂纹的位置,不受几何模型的限制,同时,它可以使用断裂力学准则模拟预制裂纹的扩展,又可以使用损伤力学准则模拟裂纹的萌生及后续的扩展,但是即便有如此多优点,目前为止它的应用仍然不是十分广泛,这主要因为它有一个致命的弱点,就是不能模拟裂纹的合并及分叉,尽管最先版本的ABAQUS中加入了裂纹合并及分叉的模拟,但是效果简直不忍直视,可以忽略了,但是反过来说,这也是软件的一大进步,相信在不久的将来,ABAQUS可以把裂纹的分叉及合并做的更好,到时候大家就可以畅游分叉裂纹的世界了,但估计这需要一个较长时间的等待了;3 通过在实体单元间批量插入cohesive单元实现任意裂纹的萌生及扩张,这种方法最大的好处就是裂纹的整个过程都可以实现,包括萌生、扩张、分叉、合并、剥落,但是它也有一个弱点,使用过cohesive的人都知道,参数比较难调,要想达到预期的效果必须进行大量的调试,但是话说回来,任何模拟工作都要经过大量的调试过程,总之,这种方法是一个非常好用又有效的方法,下面我就着重说一下通过批量插入cohesive单元模拟任意裂纹扩展,并给出一些效果图。

批量插入cohesive单元的原理(下图是在三角形单元和四面体单元间嵌入0厚度的cohesive单元,这里为了方便观察,把cohesive画为有限厚度,实际插入的是0厚度的):

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ABAQUS中如何实现:

2D和3D的0厚度cohesive单元批量插入现在都可以通过插件实现,插入效果:

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裂纹扩展例子:

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voronoi晶粒的界面插入cohesive,同时晶粒内部也插入cohesive:

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2.jpg对于三维的voronoi晶粒的插入也是一样可以实现的,而且也同时是适用于所有单元类型的。

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Ps:例子中(部分图片是网友提供,在此表示感谢)的cohesive参数并无绝对意义,都是临时选取的,主要为了验证cohesive插入和计算没有问题,大家可以结合自己方向参考文献或者实验数值进行分析。

插件的功能很多,在此不再一一介绍,如果有感兴趣的可以联系q:1057593923,或者也可以站内私信,当然如果对于断裂方面有任何疑问的,也可以联系,或者留言,简单问题提供免费答疑解惑,大家相互交流共同进步,希望可以帮到诸位在学的CAEr。

Ps:最后附上一份达索讲解cohesive的ppt,希望对于大家有用。

批量插入0厚度cohesive单元模拟开裂的图22COMP-L10-CohesiveElements .pdf

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