干货|基于ANSYS Workbench的表面裂纹计算

ANSYS Workbench 裂纹分析

1、分析模型的建立

建立一个静力分析步，材料使用默认，需要说明的是，现有计算技术下，断裂力学计算一般都采用线弹性材料，考虑到断裂中塑性区一般都不大，线弹性的假设还是可以接受的。

图4 分析步设置

2、建立几何模型，本案例使用Spaceclaim建立几何模型。

图5 试件平面图

图6 试件立体图

3、分网格，必须采用四面体网格。本文划分单元特征尺寸1mm。

图 7 网格设置

图8 分网效果

4、划分网格完成以后，首先进行一次静力计算，确保所有设置正确，对ANSYS Workbench比较熟悉的同学可以省略这一步，静力计算时，试件的两个端面一个约束位移，另一个加1000N的力，方向沿试件轴向，使试件受拉。从图9可以看出，网格、约束、荷载等设置正常。

图9 荷载设置

图10 约束设置

图11 不含裂纹的计算结果

5、在左上角的特征树上model部分点击右键，选择insert—fracture。引入缺陷特征。此时特征树上回出现fracture模块，如图10 所示。然后再coordinate system 上点右键，建立一个用户坐标系，用于指示裂纹的位置，新建立的坐标系原点应该位于半椭圆裂纹中心处，X轴指向材料内部。其设置如图13所示，结果如图12所示。

图12 包含fracture模块的特征树

图13 新坐标系的设置

图 14 新坐标系的位置（红色为1轴，即X轴）

6、在特征树中的fracture上右击，选择insert—semi-ellipical crack。裂纹参数设置如图所示。其中比较重要的参数包括裂纹的半长轴长度1mm.半短轴长度0.5mm,裂纹尖端（再此处为一半椭圆曲线）划分的网格数15，积分围道数5等，每一积分围道单元数量为8等。

图 15 裂纹参数

图 16 裂纹效果

7、更新网格，这次分网会比较慢，如果没有设置错，这时候就能看到裂纹处的网格了。ANSYS这一点比较好，不像ABAQUS需要自己分网。但是如果图13中的参数设置不合理，如网格尺寸过大，或积分区域半径大于四分之一的断裂影响区大小，则容易造成网格更新失败。

图17 裂纹处的网格

8、提交计算，因为之前做静力计算的时候荷载什么的都已经施加了，不需要再做处理，跳过静力分析的需要设施荷载和边界条件。这次计算会比静力计算慢一点点。

图 18 整体应力（mises应力）

图19 裂纹尖端应力（mises应力）

9、后处理，在特征树上的solution上右击，insert—fracture tool添加后处理工具，然后在模型树上点击fracture tool，选择裂纹（如图18）。

图20 选择裂纹

10、右击fracture—insert—SIFS, fracture—insert—J-integral ,分别添加应力强度因子和J积分。然后更新结果，皆可以看到应力强度因子和J积分的结果了。J积分结果如图19和图20。

图21 应力强度因子云图

图22 应力强度因子曲线图