基于ABAQUS的裂纹扩展仿真软件及应用

论文摘要

在各类工程中如从机械行业、建筑行业等到微电子封装行业，由于机器设备或器件在使用过程中受到载荷作用或者材料本身的固有缺陷，将会引起裂纹的产生，在一定的条件下裂纹将会扩展，并最终导致设备或器件的失效有时还可能会导致事故的发生。因此研究裂纹及其在一定程度下的扩展行为将会对评定产品的使用寿命和安全性有积极的促进作用，并且可以指导产品的设计以及提高设计的可靠性。 本文采用有限元方法来研究裂纹的扩展。在前人工作的基础上，通过基于ABAQUS软件平台编制裂纹扩展仿真软件。该软件的设计思想是，根据前一步的分析结果确定裂纹是否扩展、求得扩展角，然后在给定的扩展长度下确定新的裂纹尖端，并对该尖端局部区域进行网格自动重建，通过在裂尖邻域采用规则的四边形单元来保证应力，其他区域采用三角形单元。如此往复计算、裂纹尖端推进，直至构件断裂或裂纹止裂。鉴于ABAQUS具有丰富的材料库、单元库和各种分析类型，且计算效率高，本程序可用于分析弹塑性问题、热—机耦合、机—电耦合问题以及多裂纹扩展问题。通过典型算例分析了该软件的实用性和健壮性，然后计算分析了几种形式的裂纹扩展，包括带有边缘斜裂纹板、中心斜裂纹板、平行裂纹板、孔边裂纹和多条裂纹板等的裂纹扩展情况，通过裂纹扩展软件分析计算，可以求得它们在外载荷作用下的裂纹扩展的整个过程。同时分析讨论了裂纹扩展增量Δα对裂纹扩展路径的影响。对于多裂纹扩展问题，分析了裂纹之间的相互作用情况，指出了对于多裂纹扩展，各裂纹之间是相互关联的。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及意义
• 1.2 裂纹扩展问题的数值模拟国内外研究现状
• 1.2.1 有限元模拟裂纹扩展
• 1.2.2 扩展有限元法模拟裂纹扩展
• 1.2.3 无网格法模拟裂纹扩展
• 1.3 有关裂纹扩展分析软件简介
• 1.4 论文主要内容及方法
• 第二章 有限元原理及相关断裂力学理论
• 2.1 有限元法的一般原理
• 2.1.1 位移模式和形函数
• 2.1.2 单元应变
• 2.1.3 单元应力
• 2.1.4 单元刚度矩阵
• 2.1.5 整体刚度矩阵
• 2.1.6 有限元典型分析步骤
• 2.2 断裂力学基本理论
• 2.2.1 裂纹问题的基本模型
• 2.2.2 能量释放率理论
• 2.2.3 裂纹尖端弹性应力场理论
• 2.2.4 COD理论
• 2.2.S J积分理论
• 2.3 有限元法计算应力强度因子
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于ABAQUS平台的裂纹扩展仿真软件开发
• 3.1 裂扩展仿真软件总体设计思路及流程
• 3.2 裂纹扩展及裂尖局部模型重建
• 3.3 网格自动划分
• 3.3.1 Delaunay法及其性质
• 3.3.2 Delaunay法的算法实现
• 3.3.3 光滑处理
• 3.4 算例
• 3.5 本章小结
• 第四章 裂纹扩展仿真软件的应用
• 4.1 边缘斜裂纹试件
• 4.1.1 几何模型
• 4.1.2 计算结果
• 4.2 中心斜裂纹试件
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 计算结果
• 4.3 两条平行裂纹试件
• 4.3.1 几何模型
• 4.3.2 计算结果
• 4.4 孔边裂纹的扩展问题
• 4.4.1 几何模型
• 4.4.2 计算结果
• 4.5 多条裂纹的扩展问题
• 4.5.1 几何模型
• 4.5.2 计算结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书