裂纹尖端网格设置与应力奇异性模拟

1.定义文件名

GUI：单击Utility Menu→File→Change Jobname，弹出一个对话框，在输入栏中输入“The Torque and bending moment Analysis in ANSYS”，单击“OK”按钮。

2.定义参数

在命令输入窗口中输入：L1=0.2，L2=0.06，H1=0.15，H2=0.04，A=0.012，E1=1E11，E3=10E11，V=0.3，ROU1=3000，ROU3=8000，BEITAE=1/H2*LOG（E3/E1），BEITAROU=1/H2*LOG（ROU3/ROU1），功能梯度材料涂层划分层数N=15。

3.选择单元

（1）定义单元

GUI：Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete，弹出对话框，单击“Add”按钮，在弹出对话框的左边选择Solid，然后在右边选择Quad 8 node 183单元，单击“OK”按钮。

（2）设置单元关键字

在单元类型对话框中选择PLANE183。然后单击Options选项，在弹出的对话框中设置单元行为（Element behavior）为平面应变（Plane strain），单击“OK”按钮，返回单元类型界面，然后单击“Close”按钮关闭对话框。

4.定义材料模型

对于功能梯度材料，使用分层方法模拟材料的物性参数连续变化的特点，本实例中将功能梯度材料涂层划分15层，为了提高分析效率，因此使用命令流方式定义材料模型。

5.建立模型

（1）定义关键点

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS，弹出定义关键点面板，如图6-4所示，在该面板中输入关键点号（Keypoint number）为1，然后继续输入在激活坐标系对应的坐标X=0、Y=0和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为2和对应的坐标X=L1、Y=0和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为3和对应的坐标X=L1、Y=H1和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为4和对应的坐标X=L1、Y=H1+H2和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为5和对应的坐标X=0、Y=H1+H2和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为6和对应的坐标X=0、Y=H1和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为7和对应的坐标X=L2、Y=H1和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为8和对 应的坐标X=L2+A、Y=H1和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为9和对应的坐标X=L2+2*A、Y=H1和Z=0，单击“OK”按钮。

图6-4 定义关键点面板

（2）定义面

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→Through KPs，弹出拾取对话框，拾取关键点1、2、3、9、7和6，单击“Apply”按钮，继续拾取关键点5、6、7、8、9、3和4，单击“OK”按钮。

（3）使用工作平面分割面

1）移动工作平面

GUI：单击Utility Menu→WorkPlane→Offset WP by Increments，弹出偏移工作设置面板，如图6-5所示，该面板主要包括工作平面的转动设置和平动设置，在转动设置面板中输入0，-90，0，在平动设置面板中输入0，0，H1+H2/N，输入完毕，单击“OK”按钮。

图6-5 偏移工作平面设置面板

a）转动工作平面设置面板 b）平动工作平面设置面板

2）分割面(www.xing528.com)

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→Area by WorkPlane，弹出拾取对话框，单击“Pick All”按钮。

3）重复分割

对功能梯度材料涂层面需要进行多次分割，因此采用APDL的循环语句比较便捷，命令流如下。

（4）使用线分割面

1）定义关键点

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→In Active CS，弹出定义关键点面板，如图6-4所示，在该面板中输入关键点号（Keypoint number）为50，然后继续输入在激活坐标系对应的坐标，X=L2+A、Y=0和Z=0，单击“Apply”按钮；继续输入关键点号为51和对应的坐标X=L2+A、Y=H1+H2和Z=0，单击“OK”按钮。

2）定义线

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Lines→Lines→In Active Coord，弹出拾取对话框，用鼠标拾取关键点50和51，单击“OK”按钮。

3）使用线分割面

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→Area by Line，弹出拾取对话框，单击“Pick All”按钮，再选择刚创建的线L12，单击“OK”按钮。

6.划分网格

（1）设置裂纹尖端网格

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Ctrls→Concentrate KPs→Create，弹出拾取对话框拾取裂纹尖端处的关键点7，单击“OK”按钮，弹出裂纹尖端网格控制面板，如图6-6所示，在面板中输入裂纹尖端第一圈单元的尺寸（Radius of 1st row of elems）为A/20，围绕裂纹尖端第二圈单元尺寸与第一圈单元尺寸之比（Radius ratio（2nd row/1st））为0.8，围绕裂纹尖端的单元数量（No of elems around circumf）为10，为了模拟裂纹的应力奇异性，将PLANE183单元的中间节点偏移至单元边的1/4处Skewed 1/4pt，单击“Apply”按钮；弹出拾取对话框，拾取关键点9，单击“OK”按钮，裂纹尖端网格的设置参数同关键点7一样，设置完毕，单击“OK”按钮。

图6-6 裂纹尖端网格控制面板

（2）打开网格划分工具

GUI：单击Main Menu→Preprocessor→Meshing→MeshTool

（3）设置总体网格尺寸

单击网格划分工具中尺寸控制区域（Size Controls）中的总体控制中设置（Set）按钮，弹出如图6-7所示的总体网尺寸设置面板，在单元尺寸中输入L1/90，单击“OK”按钮。

图6-7 总体网格尺寸设置面板

（4）进行网格划分

因为模型中的需要划分的面较多，因此使用APDL语言中的循环语句划分网格比较方便，命令流如下。