齿根断裂是齿轮失效的方式之一,齿轮严重过载超过齿轮材料的弯曲强度而断裂,本例模拟齿轮在根部已产生微小裂纹,在受载的情况下,裂纹扩展的整个过程
01
模型建立
说明:需要在模型上建立出一个初始裂纹,齿轮常用材料之一为钢类,此案例模型材料默认结构钢
02
简化模型
说明:模型简化完毕后,在SCDM的workbench页面点击2021R1或者mechanical2021R1任意一个,本例点击的是mechanical,并从左侧工具箱中拖拽静态结构(静力学)模块与项目A的mechanical模型相连接,页面如下
03
建立裂纹坐标系
说明:在后续添加裂纹时,会有参考坐标系的选取,因此选择裂纹尖端的边界创建坐标系,设置X方向为裂纹拓展方向,Y为裂纹面的法向,Z为切向
裂纹拓展(smart-crack growth)的局限性:
①仅适用于线弹性本构
②仅3D Solid187单元
③忽略了大偏转和有限旋转效应、裂纹尖端塑性效应和压缩效应
04
创建网格
说明:裂纹拓展模型需要四面体网格,并对裂纹尖端的边界(建立参考坐标系的边线)定义Edge size,类型选择影响范围,设置球的半径为3mm与网格尺寸1mm,可以对在球半径内的模型进行加密
说明:在裂纹处进行网格的加密,以便更好的观察裂纹的拓展,并提高计算精度。在新版本中,如果将网格选项下的使用自适应网格调整选项设置为是的话,尽管使用影响球进行局部加密,但未达到理想效果,故需要设置为否,产生更好的局部加密效果
05
建立命名选择集
对裂纹区域的面和裂纹尖端的边线进行命名创建集,并将其转化为节点集
建立命名选择
将命名选择转化节点集
06
裂纹设置
SMART裂纹扩展需要先在模型上建立初始裂纹,然后通过初始裂纹及其参数进行断裂,两者缺一不可,本例断裂的准则为应力强度因数(Stress intensity factors)来判定,其中K为应力强度因数,涉及到断裂力学
根据节点集选择对应的选项,坐标系选择选择初始建立的裂纹坐标系
求解方案轮廓为裂纹扩展过程中,网格在裂纹尖端重新划分的层数,一般建议4-6
点击SMART裂纹扩展,初始裂纹选择预网格化裂隙,裂纹扩展选项选择静态,也可以选择疲劳,失效标准选择应力强度因数,数值根据实验数据,本例数值为任意填写
07
边界条件
此案例边界条件非常简单,对2个端面进行固定支撑,约束其6个自由度为0,,对齿面施加集中力,如果是齿轮全模型的话,可以将齿轮中心孔进行约束
08
分析设置
静力学中与时间没有关系,因此按照默认的1s,关闭自动时步,设置子步数量为60,子步设置越大,裂纹扩展捕捉的细节越明显,但也会需要更大的计算量,读者可以尝试子步设置小点进行对比
开启断裂控制下的断裂选项(裂纹拓展必须)和SIFS,裂纹扩展中的失效判断准则有2种,一种为J积分,一种为SIFS(应力强度因数),按照裂纹设置时的选择需要开启的选项,本例裂纹设置为SIFS,故在分析设置下将此选项修改为是
09
后处理
查看断裂工具中的K参数
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