基于XFEM的平板斜裂纹动态扩展数值模拟

发布时间：2021-07-12 21:59

　　基于扩展有限单元法（XFEM）,采用有限元软件ABAQUS研究了含斜裂纹矩形板的动态裂纹扩展过程,并讨论了裂纹初始角度、裂纹长度和冲击载荷形式等影响参数对裂纹扩展路径的影响.数值计算结果表明,拉伸冲击载荷下平板斜裂纹基本是按Ⅰ型裂纹形式沿直线扩展,改变裂纹初始角度、裂纹长度和冲击载荷形式不会对裂纹扩展路径产生显著影响,但是对裂纹扩展速度会有明显影响. 

【文章来源】：武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2019,43(02)

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

图１二维裂纹中节点扩充方案

的最大主应力断裂准则（ｍａｘｐｓｄａｍａｇｅ），并且采取自动时间步长求解，最大时间步长取为０．５μｓ．由于裂纹扩展问题属于强间断、强非线性问题，为了提高求解过程的收敛性，取黏性系数为５×１０－５，并且增大迭代计算中允许的尝试步数和每步允许的迭代次数．此外，在模型输出定义中需要选定裂纹面水平集函数（ＰＨＩＬＳＭ）及裂纹扩展状态参量（ＳＴＡＴＵＳＸＦＥＭ），以在后处理中可以显示裂纹位置和扩展情况．图３有限元网格模型图图４给出了平板内斜裂纹的扩展过程，图中的应力云图为ＶｏｎＭｉｓｅｓ应力．由图４可见，当矩形板顶端受冲击载荷作用后，应力波从顶端逐渐向下端传播，当时间ｔ＝１４．２４７μｓ时，裂纹开始扩展，起初裂纹扩展较慢，几个时间步长裂纹才能向前扩展一个单元，长度约为１ｍｍ；当时间ｔ＝３２．７７０μｓ时，应力波到达底端并发生反射，此后，在应力波与反射波的共同作用下，裂纹扩展速度明显加快；当时间ｔ＝４９．０５６μｓ时，裂纹横向贯穿整个矩形板．图４平板内斜裂纹的扩展过程图第２期彭英，等：基于ＸＦＥＭ的平板斜裂纹动态扩展数值模拟·３２２·

３不同影响参数下的裂纹扩展路径对比３．１裂纹初始角度的影响针对图２中的计算模型，分别取裂纹倾角θ＝１５°，４５°，７５°，其他参数保持不变，采用ＸＦＥＭ计算不同初始角度下的裂纹扩展路径，裂纹扩展过程中的单元状态见图５．由图５可知，裂纹扩展过程中，路径会发生微小波动，但基本是按Ⅰ型裂纹形式沿直线扩展，说明裂纹的初始角度影响不大，不能决定裂纹的扩展路径．表１为不同初始角度下，裂纹开始扩展的时间（ｔ１）、横向贯穿矩形板的时间（ｔ２）和贯穿矩形板的时间间隔（Δｔ）．由表１可知，裂纹初始角度越小，裂纹尖端距离矩形板顶部加载端越远，裂纹开始扩展的时间越晚，但是裂纹横向贯穿的时间反而越短，这是由于裂纹倾角越小，越接近于Ⅰ型裂纹，在拉伸载荷作用下，裂纹尖端应力集中越大，更加利于裂纹扩展．图５不同初始角度下裂纹扩展过程中的单元状态表１不同初始角度下裂纹开始扩展和贯穿的时间裂纹倾角θ／（°）ｔ１／μｓｔ２／μｓΔｔ／μｓ１５１５．２２１４７．４１４３２．１９３４５１４．２４７４９．０５６３４．８０９７５１３．７６６４８．７４３３４．９７７３．２裂纹长度的影响分别取裂纹长度ａ＝２０，１５，１０ｍｍ，采用ＸＦＥＭ计算各裂纹长度下的裂纹扩展路径，裂纹扩展过程中的单元状态见图６．由图６可知，随着裂纹长度变短，裂纹扩展路径的波动性减小，但是仍然基本按Ⅰ型裂纹形式沿直线扩展，说明改变裂纹长度不会使裂纹的扩展路径发生显著变


本文编号：3280738