ANSYS

14 downloads 0 Views 2MB Size Report
Jun 20, 2013 - ANSYS Mechanical and Mechanical APDL use the. – Domain Integral method to calculate J-integral. – Interaction Integral method to extract the ...
2013 UGMs – ANSYS

Fracture Mechanics in ANSYS  Mechanical R14.5 1

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Introduction Traditional structural design uses a strength‐of‐material approach to  assess structural integrity – does not consider the effect of flaws which can significantly degrade  structural integrity

Using fracture mechanics methods that include the effect of flaws is  becoming common practice in many industries

2

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Fracture Mechanics Approach Fracture mechanics describe crack behavior using concepts from  both applied mechanics and material science – cracks propagate by the combined effect of stress and flaws

Commonly represented using one of 3 fracture parameters – stress intensity factors (K or SIFs) • characterizes stress state near crack tip

– J‐Integral (J or JINT) • contour‐integral around the crack tip that is equal to the change in  potential energy due to incremental crack advance

– energy release rate (G) • energy required to create newly formed crack surfaces

3

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

ANSYS Fracture Mechanics Capabilities ANSYS Mechanical and Mechanical APDL use the  – Domain Integral method to calculate J‐integral – Interaction Integral method to extract the stress intensity factors (SIFs)  from the J‐integral results • single mode and mixed‐mode – Virtual Crack Closure Technique (VCCT) to characterize the energy release  rate (G) (e.g. delamination of composite structures) • only method applicable to non‐isotropic materials

Domain Integral approach calculates J‐integral at radial contours from  crack tip – J‐integral is path independent – results should converge within a few contours

4

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

R14.0 ANSYS Mechanical Procedure 1.

Construct FE mesh with embedded crack(s)

2.

Apply boundary conditions

3.

Issue MAPDL CINT commands in Command Objects – CINT is a /SOLU module command

4.

Solve 

5.

Post‐process by issuing MAPDL /POST1 commands in  Command Objects

ANSYS Mechanical R14.5 includes powerful new fracture mechanics  features that make this process easier to use, more robust, and  more efficient 

5

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

New Mechanical R14.5 Fracture Features Crack Object provides automated tools for embedding crack(s) into  existing meshes – significant ease‐of‐use enhancement • creating well‐shaped, efficient cracked meshes can be difficult • reduces need to use tools like DM to create crack(s) in solid model

Pre‐Meshed Crack Object enables fracture mechanics calculations to be  performed on cracked meshes directly within the Mechanical interface – eliminates need to use Command Objects to access the MAPDL CINT  command 

Fracture Tool enables post‐processing of fracture mechanics directly  within the Mechanical interface – eliminates need to use Command Objects to access MAPDL /POST1  commands 6

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Fracture Folder Fracture Folder must be first inserted from the Model toolbar – Crack and Pre‐Meshed Crack Objects can then be accessed – new in R14.5

7

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Fracture Solver Control Setting To compute fracture parameters for all cracks defined under the  Fracture folder, set the “Fracture” solver control to “ON” – located under Solver Controls on the Analysis Settings – inserts appropriate MAPDL CINT commands into the ds.dat

8

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Crack Object Crack Object inserts a semi‐elliptical crack into an existing non‐ cracked mesh – eliminates need to manually embed semi‐elliptical crack(s) in solid model – robust set of tools for creating well‐shaped mesh in cracked region – automatically connects cracked region to full model

9

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Using Crack Object • • • • • • • • • • •

10

Create full model with non‐cracked mesh Insert Fracture Folder Insert Crack Object under Fracture Folder Identify crack location with coordinate system Specify major and minor radii for crack Specify any optional data for cracked region Generate mesh in Crack Object Set Fracture solver control to “ON” Solve Insert Fracture Tool Post‐process fracture results

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Crack Object Actions To create cracked mesh, issue “Generate All Crack Meshes” under  the Fracture Folder – – – – –

clears the base mesh from the Fracture Affected Zone and Buffer Zone inserts cracked mesh template inside the Fracture Affected Zone creates radial patterned mesh around crack creates mesh in remainder of Fracture Affected Zone creates mesh in Buffer Zone • region between the Fracture Affected Zone and the base mesh  – connects Fracture Affected Zone mesh to Buffer Zone mesh using MPC  contact

11

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Inputs for Crack Object

Only Major and Minor  radii are required

Optional input data available to control crack mesh: – – – – – – – 12

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

largest contour radius number of circumferential divisions number of mesh contours number of crack front divisions number of solution contours size of buffer zone Named Selections to be created ANSYS Confidential

Crack Object – Impeller Example uncracked mesh

solid model

cracked mesh

13

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Pre‐Meshed Crack Object Pre‐Meshed Crack Object performs fracture mechanics calculations on  imported meshes with existing cracks Enables fracture mechanics calculations to be performed on cracks of  any shape Can be used to assess cracks in 2D models – mesh connections can be used to close one side of the crack Eliminates need to issue MAPDL CINT commands from within  Command Objects Allows use of Fracture Tool for post‐processing within Mechanical 14

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Using Pre‐Meshed Crack Object • • • • • • •

15

Create full FE model with embedded crack(s) Insert Fracture Folder Insert Pre‐Meshed Crack Object Set Fracture solver control to “ON” Solve Insert Fracture Tool Post‐process fracture results

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Fatigue Tool Fracture Tool is used to post‐process fracture mechanics directly  within the Mechanical interface – eliminates need to use Command Objects to access MAPDL /POST1  commands

Solution Branch > RMB > Insert “Fracture Tool” > pick result type

16

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Post Processing of Fracture Results Fracture results can be plotted, graphed,  and/or listed – X axis of graph and length in table is  the distance along the crack front – tabular results can be exported to text  files or xls file

17

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Crack Object Example Create full structural model – solid model, mesh, boundary conditions, etc. – create coordinate system at crack center

Insert “Fracture” folder Insert Crack Object under Fracture Folder

Set  Fracture solver control to ON 18

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Crack Object Example Specify Crack Object details Generate cracked mesh Solve Insert Fracture Tool Post‐process

19

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Pre‐Meshed Crack Example Import mesh with embedded flat, through‐wall crack from MAPDL  using CDB file and FE Modeler Import model from FE Modeler into Mechanical

20

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Pre‐Meshed Crack Example Specify crack coordinate system and Named Selection containing  crack front nodes Insert “Fracture” folder Insert Pre‐Meshed Crack Object under Fracture Folder

21

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Pre‐Meshed Crack Example Set  Fracture solver control to ON Solve Insert Fracture Tool and post‐process

22

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential

Future Enhancements Extend crack creation capabilities for additional crack types and arbitrary  crack shapes •



23

Additional Crack Types 

Corner cracks



Edge cracks



Embedded cracks



Surface cracks (e.g. non‐elliptical surface cracks)

Arbitrary Crack Shapes 

Non‐elliptical cracks



Non‐planar cracks

© 2013 ANSYS, Inc.

June 20, 2013

ANSYS Confidential