ABAQUS: Analiza pęknięć z solverem XFEM w ABAQUS

W tym artykule będziemy modelować propagację pęknięć w stalowym zbiorniku ciśnieniowym za pomocą XFEM. W sekcji postprocessingu tego warsztatu zapoznamy się z narzędziami i funkcjami dostępnymi w module Wizualizacja, które pozwalają na skuteczne sondowanie pękniętej geometrii w trójwymiarowej bryle.

Modelowana tutaj konstrukcja to zbiornik ciśnieniowy o średnicy wewnętrznej 4m u podstawy z półkulistą nasadką. Cała konstrukcja ma 10m wysokości. Naczynie ciśnieniowe jest ograniczone na dnie przed ruchem we wszystkich kierunkach, a na wszystkie powierzchnie wewnętrzne wywierane jest równomierne ciśnienie 210 MPa. Zakładamy, że materiał jest liniowo elastyczny; awaria rozpoczyna się, gdy maksymalne naprężenie jest wartością krytyczną (stosuje się kryterium inicjacji uszkodzeń MAXPS).

Rys. 1 Model zbiornika do analizy

Początkowe pęknięcie znajduje się w jednej z dysz w pobliżu dna zbiornika ciśnieniowego. Jak wspomniano wcześniej, początkowe pęknięcie jest definiowane za pomocą części zbudowanej w kształcie pęknięcia i instancjonowanej w zespole w żądanym miejscu. Geometria pęknięcia, tj. powierzchnia pęknięcia i przód pęknięcia są definiowane za pomocą dwóch funkcji zestawu poziomów φ i ψ które Abaqus/CAE oblicza za pomocą funkcji geometrycznej – w tym przypadku służy do definiowania pęknięcia.

Rys. 2 Początkowe pęknięcie dyszy

Na początku trzeba było zdefiniować liniowy elastyczny materiał, typową stal ale z modułem niszczącym „Maxps Damage”, w którym ustawiamy nasze parametry obrażeń.

Rys. 3 Określanie ewolucji uszkodzeń za pomocą edytora opcji i padopcji

Następnie po odpowiednim ustawieniu kroków, zależnie od naszych potrzeb musimy zdefiniować pęknięcie w XFEM. Należy utworzyć bez tarciową właściwość interakcji dla powierzchni pęknięć i zdefiniuj propagujące pęknięcie XFEM w module Interakcja, używając instancji części crack. Po wprowadzeniu i wybraniu odpowiednich opcji zostają już warunki brzegowe i obciążenia.

Rys. 4 Tworzenie pęknięcia

Pełne utwierdzenie na dnie zbiornika i wysokie ciśnienie wewnątrz pozwoli nam dobrze odwzorować warunki ponad normę wytrzymałości dyszy zbiornika co zasymuluje zniszczenie.

Aby uniknąć straconego czasu na błędy symulacji można przeprowadzić analizę datacheck co pozwoli na szybsze sprawdzenia ustawień bez czekania na pełną analizę wytrzymałościową. Podczas analizy sprawdzania danych utworzy się plik wyjściowej bazy danych (.odb). Wizualizacja wyników analizy w programie Abaqus pozwala na bardzo dużo możliwości. Po obliczeniu symulacji przez program możemy wejść w moduł Visualization i przejrzeć wszystkie opcje do których mamy dostęp.

W sekcji wizualizacji widzimy, że zbiornik nie ma poważnych odkształceń na swojej powierzchni jednak wyniki mają się inaczej w sekcji dyszy. Do zobrazowania wyników z pęknięcia potrzebujemy zaanimować zmienną StatusXFEM.

Rys. 5 Rozkład naprężeń Misesa w zbiorniku ciśnieniowym

Rys. 6 STATUSXFEM przedstawiający postępujące uszkodzenia i awarie

Do lepszego zobrazowania procesu, dobrze jest ustawić odpowiednio widok w opcjach wykresu, aby dostać samą propagację pęknięcia. Możemy też ustawić przezroczystość żeby wiedzieć także jak pęknięcie wygląda w środku zbiorka.

Rys. 7 Wykres konturowy PHILSM w pobliżu dyszy

Rys. 8 Wykres konturowy PHILSM z włączoną globalną przeziernością

Dodatkowo Abaqus pozwala na tworzenie wykresów wytrzymałości czy wyeksportowania w szybki sposób filmu z analizy dla pokazania zniszczeń w modelu. Do tego użyjemy opcji Animate, gdzie odpowiednio ustawia się rodzaj pliku:

http://www.dpstoday.pl/wp-content/uploads/2022/10/analiza-pekniec-z-solverem-xfem-w-abaqus.mp4

W filmie powyżej widzimy poszczególny punkty preprocessingu analizy przez poszczególne moduły systemu Abaqus aż do wyników i animacji wyników.

Podsumowując Abaqus pozwala na analizę propagacji pęknięć, dzięki której możemy przygotować się na teoretyczne przyszłe problemy i poprawić nasz produkt przed niespodziewanym wypadkiem. Analiza jest w pełni dostosowywalna i może posłużyć do analiz bardzo skomplikowanych modeli. Możliwość tworzenia wykresów i filmów pozwoli nam na łatwiejsze pokazanie problemu dalej lub pochwalenie się zadowalającymi wynikami.

Post: ABAQUS: Analiza pęknięć z solverem XFEM w ABAQUS