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基于ABAQUS的车用高强度低合金钢裂纹扩展研究
发布日期:2018-09-07 新闻来源: 正文字号
重庆工业职业技术学院  周渝庆
 
1 引言
在汽车零部件设计过程中,有限元法广泛应用于零部件材料选择和结构设计中[1]。在采用传统有限元法对结构的已有裂纹进行扩展过程分析前,需要事先制作裂纹扩展路径,否则在裂纹扩展仿真过程中,为适应界面的非连续性,就必须不断重新划分网格,显著降低计算效率,占用计算机资源,具有一定的局限性[2]。扩展有限元法(XFEM)在求解非线性和不连续力学问题等方面非常有效,不需要不断重新划分网格,解决了模型要求裂纹扩展后需要重新划分和单元边界与裂纹面一致的缺点,广泛应用扩展有限元解决裂纹扩展仿真分析等非线性问题。文章在有限元软件ABAQUS中建立了车用高强度低合金钢的单边缺口试件模型,采用扩展有限元法实现裂纹扩展的动态仿真,该研究对车用高强度低合金钢的寿命预测和裂纹尖端应力场的分析具有十分重要的意义。
2 基于扩展有限元的裂纹扩展仿真
按照相关实验标准,在ABAQUS软件中建立单边缺口试件的模型,模型尺寸主要的几何参数有:一块预埋裂纹的钢板在外载荷作用下发生裂纹扩展,模型及预制裂纹尺寸为长0.1m,宽0.05m,厚0.002m,裂纹长0.005m,宽0.002m。外载位移水平方向4e-5m,竖直方向2e-5m。材料:杨氏模量2.1e11Pa,泊松比0.3,最大主应力84.4Mpa,断裂能:42200N/M(三个方向相同),黏性系数:5e-5。
裂纹仿真步骤为:(1)设置工作目录;(2)部件模块,创建部件对话框中,选择三维模型空间,类型为可变形、实体拉伸特征,大约尺寸为0.2m。再次点击创建部件命令,创建裂纹模型。选择壳体拉伸方式创建裂纹模型;(3)装配模块,在创建装配对话框中,选择要装配的平板和裂纹模型,选择独立实例类型,调整裂纹位置至平板边缘处;(4)属性模块,点击创建材料命令,在力学方式下输入杨氏模量和泊松比。破坏准则选择最大主应力破坏,值为84.4Mpa。子选项下选择损伤演化,选择损伤演化类型为能量,线性屈服应力软化,最大刚度为退化,混合模式行为为幂法则,幂次为1。在法向断裂能和2个切向断裂能中输入42200,损伤稳定黏性系数输入1e-5。创建截面,实体均质。单击指派截面,选择模型,将截面赋予参数;(5)分析步模块,创建分析步对话框中,在分析步中选择静力,通用方式。编辑分析步中,将几何非线性大开,增量项下,最大增量步数设置为1000000,增量步大小为0.005,最大设置为0.01。菜单中其他—通用求解控制—编辑—设定的分析步中对通用求解控制进行编辑,选择指定方式,时间增量为不连续分析,IA值修改为50。单击场输出管理器,编辑对话框中,频率为每10个增量步,输出变量增加破坏/断裂下的水平集(PHILSM),状态/场中选择STATUSXFEM方式;(6)相互作用模块,定义并编辑接触属性,在接触属性选项中切向行为为无摩擦,法向行为为硬接触。菜单中选择特殊设置—裂纹—创建裂纹,在对话框中选择XFEM,选择整个模型为裂纹扩展区域,允许裂纹生长,裂纹位置为预制裂纹,选择指定的接触属性;(7)载荷模块,单击创建边界条件,在初始分析步中,力学类别中选择位移/转角。选择Z方向的四个角点,将U3进行固定。X、Y方向施加U1为4E-5,U2为2E-5,另一侧同样施加;(8)网格模块,单击为部件实例布种,选择模型一,在全局种子对话框中,网格尺寸为0.001。指派网格控制属性对话框中,单元形状为六面体结构划分技术。指派单元类型为C3D8R,即八结点线性六面体单元,减缩积分,沙漏控制方式。最后划分网格,网格数为10000;(9)作业模块,在作业模块中提交作业,点击查看结果就可以看到计算结果。
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