ANSYS的断裂与失效计算方法简介

ANSYS目前已经收购了LS-DYNA，在ANSYS2020R2版本中，LS-DYNA作为一个模块已经出现在Workbench平台的分析系统中，如图1所示

图1分析系统的模块

因此，目前ANSYS具备对各类断裂问题的工程求解，包括完备的裂纹建模功能，全面的断裂参数计算功能，基于断裂力学，内聚力模型和材料参数的裂纹扩展计算以及疲劳裂纹扩展寿命计算，此外还具备对功能梯度材料，热结构耦合断裂的问题的计算，完全满足各个行业的工程计算要求。

1.裂纹建模

目前基于ANSYS可以建立各种裂纹模型，包括平面任意裂纹（单条和多条），三维表面任意形状裂纹，三维贯穿裂纹，三维埋藏裂纹，能够满足各类工程计算要求。例如可以为高压容器和管道的内外面建立表面裂纹如图2所示。

图2 压力容器三维表面椭圆裂纹

2.断裂力学参数计算

基于建立的各类裂纹模型，可以完成各类断裂参数计算，包括应力强度因子，能量释放率，J积分，T应力，C*积分和材料构型力，通过以上参数可以完成对含裂纹结构的强度评估，裂纹扩展方向预测等计算。如图3给出了裂纹前缘的应力强度因子云图。

图3 裂纹前缘的应力强度因子云图

3.界面失效模拟

ANSYS提供了基于VCCT（虚拟裂纹闭合技术）、CZM（内聚力模型）和基于LS-DYNA界面应力失效模型，能够满足各类界面的失效计算，覆盖了复合材料，金属-橡胶；金属-金属；金属-混凝土等连接界面的失效强度评估。如图4给出了界面裂纹扩展过程中的断裂参数云图。

图4 界面裂纹扩展过程中的断裂参数云图

4.材料失效

基于LS-DYNA可以采用应力或应变失效准则，直接计算各类材料在各种工况下的裂纹萌生和裂纹扩展的全过程，如图5给出了基于LS-DYNA的材料拉伸失效云图。

图5 基于LS-DYNA的材料拉伸失效云图

5.裂纹扩展计算

此外，ANSYS还可以基于扩展有限元和SMART方法，对含有初始裂纹结构进行单调载荷作用下的裂纹扩展与循环载荷作用下的裂纹扩展寿命计算。如图6给出了齿轮根部裂纹扩展计算。

图6 齿轮根部裂纹扩展计算