使用ABAQUS计算应力强度因子
使用ABAQUS计算应力强度因子
使用ABAQUS计算应力强度因子应力强度因子（Stress Intensity Factor，简称SIF）是应力场的一种特征参数，用于描述应力状态下混合模式断裂的倾向性。
它在断裂力学和疲劳断裂力学中起着非常重要的作用。
在ABAQUS软件中，可以通过线性弹性断裂力学方法来计算应力强度因子。
ABAQUS中计算SIF的方法通常分为两步：1.求解应力场2.计算SIF在求解应力场时，可以采用以下几种途径：1.固定边界条件：如果边界条件已知并且不会发生变化，则可以直接固定边界条件来求解应力场。
这种方法适用于简单的几何形状和加载情况。
2.施加约束：对于复杂几何形状和加载情况，可以施加约束来求解应力场。
例如，可以在加载边界上施加位移或力，并在其他边界上施加自由边界条件。
ABAQUS软件将通过求解线性弹性方程来获得应力场。
3.等效边界法：对于无法通过上述两种方法求解应力场的情况，可以采用等效边界法。
该方法将复杂几何体简化为等效的几何体，通过在等效边界上施加约束来求解应力场。
然后，可以使用所得的应力场计算SIF。
在计算SIF时，可以采用两种方法：1.J积分方法：这是一种基于应变能的方法，通过计算闭合路径上的应力和应变来计算SIF。
ABAQUS提供了J积分的计算方法，可以直接计算SIF。
2.基于位移法：这是一种基于位移的方法，通过计算表面位移场的奇异性来计算SIF。
ABAQUS也提供了这种方法的计算选项。
计算SIF的步骤一般如下：1.定义几何模型和输入材料参数。
2.设置边界条件和加载条件。
3.运行ABAQUS求解应力场。
4.运行相应的计算器（如J计算器或位移计算器）以计算SIF。
5.根据得到的SIF结果进行进一步的断裂力学分析。
需要注意的是，计算SIF是一个相对复杂的过程，需要对模型几何形状、边界条件、加载条件和材料参数等进行仔细考虑和设置。
此外，模型的网格划分和数值求解的精度也会对计算结果产生影响，因此需要进行适当的验证和后处理分析。
Abaqus 齿轮力和应力计算
Ken Youssefi
Mechanical Engineering Dept.
14
Surface Strength Analysis
The basic surface deterioration Scoring
If the surface asperity welding and tearing cause a transfer of metal from one surface to the other, the resulting surface damage is called scoring. If the local welding of asperities becomes so extensive that the surfaces no longer slide on each other, the resulting failure is called seizure. Initial scoring on 4340 steel helical gear Moderate scoring on a 3310 steel spur gear.
Wt
F
Substituting for x and introducing p (circular pitch),
The form factor y is called Lewis form factor. Substituting P = / p and Y = y
Lewis’ equation, where
Ken Youssefi Mechanical Engineering Dept.
6
Modification of Lewis’ Equation
Assumptions made in deriving Lewis’ equation
如何使用ABAQUS计算应力强度因子
如何使用ABAQUS计算应力强度因子ABAQUS是一种广泛使用的有限元分析软件，可用于计算应力强度因子。
应力强度因子用于评估材料中的裂纹扩展性能，是断裂力学中的重要参数。
以下是使用ABAQUS计算应力强度因子的一般步骤：1.准备模型：在使用ABAQUS计算应力强度因子之前，需要先准备好模型。
模型应包含有裂纹的几何形状，以及材料的属性。
2.确定边界条件：要使用ABAQUS计算应力强度因子，必须指定适当的边界条件。
这些条件可以是约束的位移或力。
3.定义材料特性：为了计算应力强度因子，需要定义材料的特性，如弹性模量和泊松比。
这些特性通常可以从实验数据中获取。
4.创建网格：在使用ABAQUS计算应力强度因子之前，需要对模型进行离散化处理，将其划分为有限个单元。
这可以通过使用ABAQUS提供的网格生成工具来完成。
5.应用载荷：定义适当的载荷类型和大小，以便在模型上施加负载。
这可以是施加在边界上的力或位移。
6.定义裂纹：使用ABAQUS的初始裂纹命令或裂纹离散化工具来创建裂纹几何。
裂纹可以是直线裂纹，也可以是不规则或曲线裂纹。
7.定义断裂准则：使用ABAQUS的断裂准则定义工具，指定在何种条件下认为破坏发生。
常用的断裂准则包括应力强度因子法和能量释放率法。
8.运行ABAQUS求解器：在定义了模型、边界条件、材料特性、网格和载荷之后，可以运行ABAQUS求解器。
根据模型的复杂程度，可能需要较长的计算时间。
9.后处理结果：一旦ABAQUS求解器完成计算，可以使用ABAQUS提供的后处理工具来分析结果。
这些工具可以用于计算应力强度因子及其分布。
10.计算应力强度因子：通过使用ABAQUS的应力强度因子计算工具，可以计算裂纹尖端处的应力强度因子。
这些结果可以用来预测裂纹的扩展和破坏行为。
基于ABAQUS的两种应力强度因子计算方法对比
21
50.363 2
5
282.285 291 2
25
1 411.426 456
22
49.705
5.25
285.476 037 7
27.562 5
1 498.749 198
23
49.082 3
5.5
288.533 458 1
30.25
1 586.934 019
24
48.524 8
5.75
291.667 209 7
5.062 5
740.943 363 2
11
74.684 7
2.5
295.999 907 7
6.25
739.999 769 2
12
65.193 5
2.75
270.994 561 2
7.562 5
745.235 043 2
13
59.114 6
3
256.652 390 1
9
769.957 170 4
14
，则其截距
2 ABAQUS中两种SIF计算方法的实 现[5-=]
2.1 ABAQUS内置方法计算SIF
ABAQUS 中建立半宽,=100 ??，半高-=200 mm，
厚度1 mm的平板模型（ 2），该平板中心预制有一
条裂纹，其半裂纹长度 20 mm; 弹性模量 2!
105MPa，泊松 0.25的“弹性各向异性”固体材料；
31
K FACTOR ESTIMATES
CRACK CRACKFRONT
CONTOURS
(平均:75%)
NAME
NODE SET
+1.054e+03
ABAQUS计算J积分细节
ABAQUS计算J积分细节Abaqus计算J积分，主要是指派裂纹及定义裂纹的方向，同时在step中的历程模型：10×50裂纹：定义一个尖端；另一方面指明裂纹的扩展方向（1.0,0.0），说白了就是X积分数值,图中输入10，则输出10个J积分值计算包含裂纹尖端的包络区域的面积即为J积分避开裂纹尖端塑形区域的不可计算的特性。
同时J积分的计算数值与积分路径无从以上图例可以看出J积分数值区域稳定。
疑问：为何计算多个积分点，是否最后的稳定数值就是需要计算的J积分数值？J积分应该是数值，而不是多个不同的数值。
我个人觉得最后的稳定数值应该是需要计算的积分数值。
从dat文件到inp文件，找到积分区域。
pickseted12以及pickseted13都是节点4，坐标如图所示，在cad模型中的位置如箭头指向，即裂纹尖端。
详细的需要看一下abaqus帮助文档，关于J积分的计算细节。
积分点的个数的意义我还没有搞清楚。
对于应力强度因子K，表征裂纹尖端受力的一个参量，在裂纹尖端的应力场的一定范围内，不同的节点计算数值大体是相同的。
计算应力强度因子：可以利用abaqus直接输出，也可以利用公式计算应力强度因子，以下为利用有限元法计算应力强度因子：计算应力强度因子：从上图可以看出，计算应力强度应力的点与计算J积分的点是一致的。
Abaqus计算的应力强度因子为裂尖处的应力强度因子。
下面我们利用有限元法计算y=0处的应力强度因子，最后外推到裂尖处的应力强度因子。
选取不同的半Abaqus计算J积分注意事项：(1)一、Interaction模块1.1 预制裂纹（步骤：菜单/special/crack/assign seam）注意：并不是作裂纹分析都要定义seam，如果你的裂纹不是一条缝，而是一个缺口，则不需要assign seam，直接走下一步（定义裂纹）就行。
1.2 创建裂纹（步骤：菜单/special/crack/create，type：contour integral）—crack front：crack front是用来定义第一围线积分的区域，2D下我们可以选择包围裂尖点的面，3D则选择包围裂尖线的面；另外还有一种定义crack front的方法，就是直接选择裂尖点（2D）或裂尖线3D），用这个方法定义crack front不需要再定义下一步的crack tip/line，比较简便，两种方法算出的结果没有明显的差别，其实只是影响积分路线的问题，但是J积分值是路径无关的，看个人喜好吧—crack tip/line：这个比较好理解就是裂尖点（2D）或线（3D），如果我们在上一步中用方法二定义crack front，这一步就直接跳过了—crack extension direction（定义裂纹扩展方向）：这里定义的其实是一个虚拟的裂纹扩展方向，定义了这个参考方向后，我们才能通过输出的角度判断裂纹扩展方向，可以通过两种方法：（1）q vector：输入一个方向，用来作为计算裂纹的扩展方向的参考方向；（2）normal to crack plane：crack plane表示裂纹的对称面（当裂纹在一个平面内时，可能需要分开定义多个裂纹），这种方法下我们只需定义裂纹面的法线方向，通过（t表示裂纹尖端的切线）, 会在每个节点得出一个q方向；（3）注意：q的方向对输出的应力强度因子，J积分等都会有影响，一般情况下，q最好在裂纹平面内，且垂直于裂尖线的切线，否则算出的应力强度因子，J积分值等等在不同围线积分中会差别较大。
使用ABAQUS计算应力强度因子
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 如何使用ABAQUS计算应力强度因子Simwefanhj（fanhjhj@）2011.9.9------------------------------------------------------------------------------------------------------- 问题描述：以无限大平板含有一贯穿裂纹为例，裂纹长度为10mm（2a），在远场受双向均布拉应力σ＝100N/mm2。
按解析解，此I型裂纹计算出的应力＝396.23（N.mm-3/2）强度因子πσaK=I以下为使用ABAQUS6.10的计算该问题的过程。
第一步：进入part模块①建立平板part（2D Planar;Deformation;shell），平板的尺寸相对于裂纹足够大，本例的尺寸为100×50（mm）。
②使用Partation Face:sketch工具，将part分隔成如图1形式。
图1第二步：进入property模块①建立弹性材料；②截面选择平面问题的solid，homogeneous；③赋予截面。
第三步：进入Assembly模块不详述。
需注意的是：实体的类型（instance type）选择independent。
第四步：进入mesh模块除小圈内使用CPS6单元外，其它位置使用CPS8单元离散（图2）。
裂纹尖端的奇异在interaction模块中（图4）考虑。
图2第五步：进入interaction模块①指定裂纹special/creak/assign seam，选中示意图3中的黄色线，done！②生成裂纹crack 1，special/crack/create,name：crack 1，type: contour integral.当提示选择裂纹前端时，选则示意图的红圈区域，当提示裂纹尖端区域时选择红圈的圆心，用向量q表示裂纹扩展方向（示意图3绿色箭头）。
abaqus 节点应力 单元应力
Abaqus节点应力和单元应力分析在工程和科学领域中，节点应力和单元应力分析是非常重要的任务，它们可以帮助我们了解材料的行为和结构的稳定性。
Abaqus是一种常用的有限元分析软件，可以用于进行节点应力和单元应力分析。
节点应力分析节点应力是指在有限元模型中每个节点处的应力值。
通过节点应力分析，我们可以确定结构中各个位置的最大、最小以及平均应力值，并且可以对结构进行强度评估。
Abaqus使用有限元方法来计算节点应力。
有限元方法将结构离散化为许多小型单元，然后通过求解线性方程组来估计每个节点处的位移和变形。
根据位移和变形信息，可以计算出每个节点处的应力。
要进行节点应力分析，在Abaqus中需要完成以下步骤：1.创建几何模型：使用Abaqus提供的几何建模工具来创建你想要分析的结构模型。
2.定义材料属性：根据所选材料的特性，在Abaqus中定义材料属性。
这些属性包括弹性模量、泊松比等。
3.设置边界条件：定义结构上的边界条件，例如固定支撑、施加的力或位移等。
4.网格划分：将结构离散化为小型单元，并生成网格。
可以根据需要调整网格密度。
5.定义分析步骤：通过定义加载步骤和分析类型来设置节点应力分析。
6.运行分析：在Abaqus中运行节点应力分析，并获得每个节点处的应力结果。
单元应力分析单元应力是指在有限元模型中每个单元内部的应力值。
通过单元应力分析，我们可以了解结构中不同单元的受力情况，从而评估结构的稳定性和强度。
Abaqus使用有限元方法计算单元应力。
在有限元模型中，结构被划分为许多小型单元，每个单元都有自己的材料属性和几何特性。
通过求解线性方程组，可以得到每个单元内部的位移和变形信息，并根据这些信息计算出每个单元内部的应力。
要进行单元应力分析，在Abaqus中需要完成以下步骤：1.创建几何模型：使用Abaqus提供的几何建模工具来创建你想要分析的结构模型。
2.定义材料属性：根据所选材料的特性，在Abaqus中定义材料属性。
abaqus热传导、应力分析详解
介绍 -- 类比
Stress Heat
u
q
I T dV
V
I T qdV
V
D
T DdV
K
T KdV
V
V
分析过程 •在 ABAQUS/Standard 中，热传导分析的执行是通过将几何体离散 成扩散热传导单元，并且使用 *HEAT TRANSFER 过程选项
-- 单元在每个壳节点的厚度方向的多个点上提供了温度自由度，这样温度不仅随着壳 的参考平面变化，也随厚度方向变化。
NT13 NT12 NT11
n
-- 壳单元表面下方的温度自由度为11（输出变量为NT11） -- 在正表面的温度自由度为 10+n, n 为壳截面上使用截面点的数量 -- 在单层（均质）壳中，截面点在厚度上均匀分布，默认为5个点 -- 每层壳必须是奇数个截面点，这是由 ABAQUS/standard 在厚度上使用分段抛物线 型插值方法决定的。
热传导单元定义 •复合材料壳单元
多层复合材料热壳可以被构建 每一层可以是不同厚度，不同主 方向的不同材料组成
t4 材料1 t3 材料1 t2 材料1 t1 材料1
材料特性在 *SHELL SECTION 中定义:
*SHELL SECTION,COMPOSITE LAYER1的厚度， 温度自由度数量(截面点数)， 材料名，材料方向参考的 orientation 名称 LAYER2的厚度， 温度自由度数量(截面点数)， 材料名，材料方向参考的 orientation 名称 LAYER3的厚度， 温度自由度数量(截面点数)， 材料名，材料方向参考的 orientation 名称 …
幅值曲线变化的温度温 Nhomakorabea的共轭反作用是 热率（热能进入一个已经预设温度值的节点的流通率） 输出变量: RFLn
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Simwefanhj（fanhjhj@）
2011.9.9
------------------------------------------------------------------------------------------------------- 问题描述：以无限大平板含有一贯穿裂纹为例，裂纹长度为10mm（2a），在远场受双向均布拉应力σ＝100N/mm2。
按解析解，此I型裂纹计算出的应力＝396.23（N.mm-3/2）
强度因子π
σa
K=
I
以下为使用ABAQUS6.10的计算该问题的过程。
第一步：进入part模块
①建立平板part（2D Planar;Deformation;shell），平板的尺寸相对于裂纹足够大，本例的尺寸为100×50（mm）。
②使用Partation Face:sketch工具，将part分隔成如图1形式。
图1
第二步：进入property模块
①建立弹性材料；
②截面选择平面问题的solid，homogeneous；
③赋予截面。
第三步：进入Assembly模块
不详述。
需注意的是：实体的类型（instance type）选择independent。
第四步：进入mesh模块
除小圈内使用CPS6单元外，其它位置使用CPS8单元离散（图2）。
裂纹尖端的奇异在interaction模块中（图4）考虑。
图2
第五步：进入interaction模块
①指定裂纹special/creak/assign seam，选中示意图3中的黄色线，done！
②生成裂纹crack 1，special/crack/create,name：crack 1，type: contour integral.
当提示选择裂纹前端时，选则示意图的红圈区域，当提示裂纹尖端区域时选择红圈的圆心，用向量q表示裂纹扩展方向（示意图3绿色箭头）。
用同样的方法建立crack 2（示意图3中的蓝色区域）。
special/crack/edit，对两个裂纹进行应力奇异的设置，如图4所示。
图3
第六步：进入step模块
①在initial步之后建立static，general步。
②在output/history output requests/create/中创建2个输出变量，如图5所示。
（分别定义crack 1和crack2 ）。
其中Number of contours的意义是：SIF是通过J 积分算出的，J积分本来是线积分，在有限元计算中不方便，后来有人研究可以用环形区域积分代替，Abaqus里J积分的计算就是这样做的，积分围数1就是指计算J积分时取裂尖处奇异单元外第一圈单元作为环形区域算J积分，不同积分围数算出的应力强度因子应该相差不多，如果相差太多，就说明算的有问题。
图5
第七步：进入load模块
定义位移和荷载边界，如图6所示。
图6
第八步：进入job模块
提交计算。
Mises应力分布见图7，在.dat文件中（图8）查看应力强度因子。
图7
图8
可见与I K 解析解的误差仅有2.5％。