断裂失效分析(一)

文摘   2024-10-20 00:03   安徽  
断裂失效准则中所述,工程上常用的断裂准则主要有最大拉应力准则和最大伸长线应变准则,即材料力学中的第一和第二强度准则。对应于Ansys中的最大主应力准则(Maximum Principal Stress Criterion)和最大主应变准则(Maximum Principal Strain Criterion)。另外,在ANSYS LS-DYNA求解器中提供了丰富的失效模型,如断裂失效准则所述的Johnson-Cook失效准则,详细如下图所示。

1、脆性断裂

由于铸铁、玻璃等材料在断裂前没有明显的塑性变形,分析时材料可采用线弹性材料模型,结合最大主应力准则(Maximum Principal Stress Criterion)和最大主应变准则(Maximum Principal Strain Criterion)分析。

这里采用拉伸杆模型演示断裂失效分析。拉伸杆为20*200的圆形截面杆,材料为铸铁,一端固定,一端施加80kN,分析材料应力状态,利用最大主应力准则判断是否会发生脆断。

1)材料模型

材料为铸铁,采用线弹性模型,抗拉强度为240MPa。

2)模型及加载

一端远程位移固定(避免应力集中),一端施加80kN。网格采用非线性网格,尺寸2mm。

3)分析设置及结果

分析设置按默认设置,计算完成后,可以从以下结果分析评估结构是否会发生脆断。最大主应力和基于抗拉强度的安全系数。

a、最大主应力(超过最大抗拉强度240MPa)

b、基于抗拉强度的安全系数(小于1)

2、塑性断裂

塑性材料一般不会发生脆性断裂,但可能因为发生较大的塑性应变而断裂。这里使用LS-DYNA求解器求解基于Plastic Strain Failure准则的塑性断裂分析。
同样采用拉伸杆模型,尺寸同上,材料为铝合金,一端固定,一端施加2.6mm的远程位移,分析材料应力状态,利用Plastic Strain Failure准则判断是否会发生断裂失效。
1)材料模型

材料为铝合金,材料为双线性弹塑性模型,Maximum Equivalent Plastic Strain(EPS)为0.01,这里的相关参数无实际工程意义。

2)模型及加载

一端固定,一端加载2.6mm远程位移(依据材料参数和200mm尺寸预估)。网格尺寸2.5mm。

因为LS-DYNA求解器只有一个分析步,位移载荷采用表格数据(Tabular Data)加载。

3)分析设置

这里采用隐式求解,分析时间3s,初始时间步0.02s,其余默认设置。

4)分析结果

计算完成后,可以直接从结构上看出是否发生断裂,变形、应力等结构均可表征是否断裂。这里插入User Defined Result,表达式为EPS,即Maximum Equivalent Plastic Strain。

发生断裂前的EPS云图,接近0.01。

断裂时的状态。

由于结构中存在裂纹,在一定的应力作用下发生迅速扩展所造成的断裂,即裂纹断裂。下章接着讨论。

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