Abaqus：Abaqus疲劳与断裂分析技术教程.Tex.header

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文档简介

Abaqus：Abaqus疲劳与断裂分析技术教程1Abaqus:疲劳与断裂分析教程1.1绪论1.1.1Abaqus简介Abaqus是一款由DassaultSystèmes开发的高级有限元分析软件，广泛应用于工程设计、材料科学、航空航天、汽车制造等多个领域。它能够处理复杂的非线性问题，包括大变形、接触、断裂力学、疲劳分析等，是进行结构分析和预测的重要工具。1.1.2疲劳与断裂分析的重要性疲劳与断裂分析对于评估材料和结构在反复载荷作用下的寿命至关重要。在实际应用中，许多结构件如桥梁、飞机部件、汽车零件等，都可能遭受周期性载荷，导致材料内部产生微裂纹并逐渐扩展，最终可能引发结构的失效。通过疲劳与断裂分析，工程师可以预测这些结构的寿命，优化设计，确保安全性和可靠性。1.1.3Abaqus在疲劳分析中的应用Abaqus提供了强大的疲劳分析模块，能够模拟材料在复杂载荷下的疲劳行为。它支持多种疲劳准则，如S-N曲线、Goodman修正、Miner累积损伤理论等，以及断裂力学分析，如J积分、CTOD（裂纹尖端开口位移）和G值（能量释放率）的计算。通过这些工具，用户可以精确地评估结构的疲劳寿命和断裂安全性。1.2疲劳分析基础1.2.1疲劳准则在Abaqus中，疲劳分析通常基于S-N曲线（应力-寿命曲线）进行。S-N曲线描述了材料在不同应力水平下达到疲劳失效的循环次数。例如，对于某种材料，当应力水平为100MPa时，可能需要10^6次循环才会发生疲劳失效。#示例：定义S-N曲线

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#创建材料属性

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疲劳分析流程定义材料属性：包括弹性模量、泊松比、屈服强度等，以及疲劳和断裂相关的参数。建立模型：创建几何模型，定义网格，设置边界条件和载荷。进行静力或动力分析：计算结构在载荷作用下的应力和应变。疲劳分析：基于计算结果，应用疲劳准则进行寿命预测。后处理：分析疲劳损伤分布，评估结构的安全性。1.3断裂分析技术1.3.1J积分J积分是评估裂纹尖端能量释放率的一种方法，是断裂力学分析中的关键参数。在Abaqus中，可以使用J积分来预测裂纹的扩展路径和速度。#示例：计算J积分

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#打开ODB文件

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

#获取裂纹尖端节点

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

#计算J积分

J=crackTipNode.JIntegral()

print('J积分值:',J)1.3.2CTOD（裂纹尖端开口位移）CTOD是衡量裂纹尖端位移的指标，对于评估裂纹扩展的临界条件非常重要。在Abaqus中，可以通过定义裂纹面和裂纹尖端，自动计算CTOD值。#示例：定义裂纹面和计算CTOD

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#创建裂纹面

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

#计算CTOD

CTOD=crackSurface.CTOD()

print('CTOD值:',CTOD)1.3.3G值（能量释放率）G值是裂纹扩展的能量指标，反映了裂纹扩展所需的能量。在Abaqus中，G值可以通过J积分或直接定义的断裂韧性来计算。#示例：计算G值

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#计算G值

G=crackTipNode.JIntegral()*crackTipNode.thickness

print('G值:',G)1.4结论Abaqus的疲劳与断裂分析功能为工程师提供了强大的工具，用于预测和评估结构在复杂载荷下的性能。通过合理设置材料属性、应用疲劳准则和断裂分析技术，可以有效地进行结构优化和安全性评估。以上示例展示了如何在Abaqus中进行疲劳和断裂分析的基本操作，但实际应用中可能需要更复杂的模型和更详细的参数设置。2Abaqus:疲劳与断裂分析教程2.1基础设置2.1.1创建Abaqus模型在开始疲劳与断裂分析之前，首先需要在Abaqus中创建一个模型。这包括定义几何形状、网格划分、以及选择合适的单元类型。步骤1:定义几何形状使用Abaqus/CAE的Part模块来定义几何形状。例如，创建一个简单的矩形板：fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

frompartimport*

fromsectionimport*

fromassemblyimport*

fromstepimport*

frominteractionimport*

fromloadimport*

frommeshimport*

fromjobimport*

fromsketchimport*

fromvisualizationimport*

fromconnectorBehaviorimport*

#创建一个新部件

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)

#定义矩形板的尺寸

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

#创建部件

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']步骤2:网格划分使用Mesh模块来划分网格。这里我们使用自由网格划分：#选择要划分的面

f=p.faces

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

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

#定义网格尺寸

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

#划分网格

p.generateMesh()2.1.2定义材料属性在Abaqus中，材料属性的定义对于疲劳与断裂分析至关重要。这里我们定义一个简单的线弹性材料：frommaterialimport*

frommaterialimportelastic

#创建材料

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

#定义材料属性

mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((200e3,0.3),))2.1.3设置边界条件和载荷边界条件和载荷的设置直接影响分析结果的准确性。例如，固定一端并施加力：fromboundaryConditionimport*

fromloadimport*

#创建边界条件

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)

#创建载荷

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)以上步骤为疲劳与断裂分析提供了基础设置，包括模型创建、材料属性定义、以及边界条件和载荷的设置。接下来的分析步骤将基于这些设置进行。3疲劳分析基础3.1理解疲劳分析理论疲劳分析是评估材料在循环载荷作用下发生破坏可能性的一种方法。在Abaqus中，疲劳分析基于S-N曲线和损伤累积理论。S-N曲线描述了材料在不同应力水平下的寿命，而损伤累积理论（如Palmgren-Miner线性损伤理论）则用于计算在不同应力水平下的损伤累积。3.1.1S-N曲线S-N曲线是疲劳分析的基础，它表示材料的应力幅（S）与材料在该应力幅下能承受的循环次数（N）之间的关系。在Abaqus中，可以通过输入材料的S-N数据来定义材料的疲劳特性。示例数据应力幅S(MPa)循环次数N1001000000150500000200200000250100000300500003.1.2Palmgren-Miner线性损伤理论Palmgren-Miner线性损伤理论假设，材料的总损伤是各个应力水平下损伤的线性叠加。损伤累积可以通过以下公式计算：D其中，D是总损伤，Ni是在特定应力水平下的循环次数，N3.2设置疲劳分析参数在Abaqus中进行疲劳分析，需要设置一系列参数，包括材料的疲劳特性、载荷循环、损伤累积准则等。3.2.1材料疲劳特性在Abaqus中，可以通过以下步骤定义材料的疲劳特性：在材料模块中选择材料。定义材料的S-N曲线。设置材料的疲劳损伤模型。示例代码#定义材料的S-N曲线

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromfatigueModuleimport*

session.fatigueOptions.setValues(displaySNCurve=True)

#创建材料

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

#定义S-N数据

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

#设置疲劳损伤模型

myMaterial.fatigueDamagePlasticity(snc=SN_DATA,snr=snData)3.2.2载荷循环载荷循环的定义对于疲劳分析至关重要，它描述了材料在不同应力水平下的循环次数。示例代码#定义载荷循环

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromfatigueModuleimport*

#创建载荷循环

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

name='Cycle-1',

cycles=10000,

stressAmplitude=200,

meanStress=100

)3.3执行疲劳分析执行疲劳分析需要在Abaqus中创建分析步，并设置相应的疲劳分析选项。3.3.1创建分析步在Abaqus中，疲劳分析通常在静态或动力学分析步之后进行。示例代码#创建分析步

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromfatigueModuleimport*

#创建疲劳分析步

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

name='Fatigue_Analysis',

previous='Step-1',

description='Fatigueanalysisstep'

)

#设置疲劳分析选项

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

fatigue=ON,

fatigueDamageModel='DamagePlasticity'

)3.3.2分析结果疲劳分析的结果通常包括损伤累积、疲劳寿命预测等。在Abaqus中，可以通过后处理模块查看这些结果。示例代码#查看损伤累积结果

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#打开结果文件

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

#获取损伤累积结果

myStep=myOdb.steps['Fatigue_Analysis']

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

#显示结果

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

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

step='Fatigue_Analysis',

frame=1,

field='DAMAGE'

)通过以上步骤，可以详细地在Abaqus中进行疲劳分析，从理论理解到参数设置，再到结果查看，每一步都提供了具体的操作指南和代码示例。4Abaqus:断裂分析基础4.1理解断裂力学原理断裂力学是研究材料在裂纹存在下行为的学科，它主要关注裂纹的扩展条件和控制裂纹扩展的方法。在Abaqus中，断裂分析通常涉及以下关键概念：应力强度因子（StressIntensityFactor,SIF）:描述裂纹尖端应力场的强度。SIF是断裂分析中的重要参数，其计算公式为：K其中，σ是远场应力，a是裂纹长度，b是裂纹的半宽度，W是试件的宽度，f是几何因子。断裂韧性（FractureToughness,KIC）:材料抵抗裂纹扩展的能力。当SIF超过材料的裂纹扩展准则（CrackPropagationCriterion）:描述裂纹如何在不同应力状态下扩展的规则。最常用的准则之一是ParisLaw，它描述了裂纹扩展速率与应力强度因子幅度之间的关系：d其中，da/dN是裂纹扩展速率，ΔK4.2设置断裂分析参数在Abaqus中进行断裂分析，需要设置一系列参数以确保分析的准确性和有效性。以下是一些关键步骤：定义材料属性:在Abaqus/CAE中，选择材料（Material）模块，然后添加材料属性，包括弹性模量、泊松比、断裂韧性等。创建裂纹:使用交互式（Interactive）或脚本（Scripting）方式在模型中定义裂纹。裂纹可以是预定义的，也可以是分析过程中动态生成的。设置分析步:在分析步（Step）模块中，定义分析步，包括线性弹性分析、塑性分析、断裂分析等。对于断裂分析，通常需要设置裂纹扩展（CrackPropagation）分析步。定义裂纹扩展准则:在裂纹扩展（CrackPropagation）分析步中，指定裂纹扩展准则，如ParisLaw，并输入相应的材料常数C和m。设置输出请求:在输出（Output）模块中，定义需要输出的数据，如SIF、裂纹长度、裂纹扩展速率等。4.3执行断裂分析执行断裂分析涉及模型的建立、边界条件的设定、载荷的施加以及分析的运行。以下是一个简单的示例，展示如何在Abaqus中执行一个基本的断裂分析：#Abaqus脚本示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#创建模型

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

#定义材料属性

material=model.materials['Steel']

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

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

#创建裂纹

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))

#设置分析步

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

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

#定义裂纹扩展准则

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)

#设置输出请求

model.HistoryOutputRequests['SIF']

model.FieldOutputRequests['CrackLength']

#运行分析

['Job-1'].submit()

['Job-1'].waitForCompletion()4.3.1示例解释在上述脚本中，我们首先创建了一个模型，并定义了材料属性，包括弹性模量和断裂韧性。接着，我们通过ConstrainedSketch创建了一个裂纹，并使用PartitionFaceByShortestPath将其添加到模型的零件中。然后，我们设置了两个分析步：一个用于静态分析，另一个用于裂纹扩展分析。在裂纹扩展分析步中，我们指定了裂纹扩展准则为ParisLaw，并输入了材料常数C和m。最后，我们定义了输出请求，包括SIF和裂纹长度，并运行了分析。通过以上步骤，Abaqus能够模拟裂纹在不同载荷下的行为，预测裂纹的扩展路径和速率，从而帮助工程师评估材料的断裂性能和结构的可靠性。以上内容详细介绍了在Abaqus中进行断裂分析的基础原理、参数设置和分析执行过程。通过理解和应用这些概念，可以有效地进行断裂分析，为材料和结构的设计提供科学依据。5Abaqus:高级分析技术5.1复合材料疲劳分析5.1.1原理复合材料疲劳分析在Abaqus中主要通过考虑材料的非线性行为和损伤累积模型来实现。复合材料因其独特的层状结构和各向异性特性，在疲劳分析中需要特别的考虑。Abaqus提供了多种复合材料损伤模型，如Puck模型、Tsai-Wu模型等，用于预测复合材料在多轴载荷下的损伤累积和失效。5.1.2内容在进行复合材料疲劳分析时，首先需要定义复合材料的层和铺层方向，然后设置材料属性，包括弹性模量、泊松比、强度和断裂韧性等。接着，选择合适的损伤模型，并定义载荷和边界条件。最后，通过后处理模块查看损伤累积结果和预测的寿命。示例#定义复合材料层

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

fromvisualizationimport*

#创建复合材料层

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()