ANSYS Workbench裂纹分析实战案例，揭秘裂纹形成机制

1. 背景知识

传统的强度设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际工程构件中存在多种缺陷，断裂力学是从20世纪50年代末期发展起来的一门弥补了传统强度设计思想严重不足的新的学科，是专门研究含缺陷或裂纹的物体在外界条件作用下构件的强度、裂纹扩展趋势以及疲劳寿命的科学。断裂力学是从构件内部具有初始缺陷这一实际情况出发，研究在外部荷载下的裂纹扩展规律，从而提出带裂纹构件的安全设计准则。

图1裂纹的分类

使用弹性力学方法可以求得，在裂纹尖端处的应力的解析解为无穷大，此时应力值已经失去意义，一般采用应力强度因子作为判断结构是否安全的指标。目前的断裂力学研究主要集中在I型裂纹的开裂，数值计算工具也多集中在I型裂纹的计算上，因此以I型裂纹为例。

图2裂纹尖端坐标系

含有裂纹的无限大平板的I型裂纹尖端附近的应力为：

_{其中，K1叫I型裂纹的应力强度因子。}

ANSYS Workbench裂纹分析案例

1、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;

2、建立几何模型，本案例使用DesignModeler建立几何模型;

3、划分网格，必须采用四面体网格。本文划分单元特征尺寸1mm。

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，另一个施加力1000N，方向沿试件轴向，使试件受拉。分析设置如图所示，可以看出，网格、约束、荷载等设置正常。

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。其设置及结果如图所示。

6、在特征树中的fracture上右击，选择insert-semi-ellipicalcrack。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10，积分围道数6等。

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。

8、在solution处右键点击solve进行求解计算，因为之前做静力计算的时候已经对载荷及约束进行了加载，此处无需重复加载边界条件，如果边界条件不完整，则需要进行补充。这次侧计算会比静力计算慢一点，计算结果如下图所示。

9、后处理，在特征树上的solution上右击，insert—fracturetool添加后处理工具，然后在模型树上点击fracturetool，选择裂纹，如下图所示。

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积分结果如下图所示。

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