تحلیل ترک در آباکوس: آنالیز رشد ترک به روش XFEM

در سال‌های اخیر و با گسترش نیاز به مواد هوشمند در زمینه‌های مختلف صنعتی، شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در رشد تولید و بکارگیری این مواد بوده‌ایم. در این میان مواد مرکب یا کامپوزیت‌ها (Composite) بعنوان یکی از شاهکارهای مهندسی توانسته‌اند جای خود را در صنایع پیشرفته و حساس باز کنند. مواد مرکب از دو جزء تشکیل شده اند: ماتریس یا زمینه و فیبر یا رشته. بسته به کاربرد مورد نظر شما ترکیب این دو عنصر می‌تواند خواصی بی‌نظیر برای شما ایجاد نماید. عواملی نظیر درصد وزنی رشته‌ها و نیز جهت قرارگیری این الیاف نقش اساسی در ایجاد خواص مکانیکی خاص را ایفا می‌کنند. ممکن است شما در طراحی خود به ماده‌ای نیاز پیدا کنید که در یک جهت دارای استحکام بسیار بالاتری ست و در راستای دیگر این مقدار از استحکام مورد نیاز نیست. شاید بتوان مواد مرکب یا کامپوزیتی را بهترین پاسخ در این مسائل به شمار آورد.

اگر شما نیز درس مکانیک شکست را گذرانیده باشید و یا در ترم جاری با آن دست و پنجه نرم می‌کنید این مثال کاربردی برای شما مفید خواهد بود. بحث گسترش ترک (Crack Propagation) و مدل‌سازی آن در نرم‌افزار Abaqus یکی از موضوعات مورد علاقه اساتید در پروژه‌ها و تکالیف مکانیک شکست است و تقریبا در هر ترم گروهی از دانشجویان به ارائه این تمرین مشغول می‌شوند. از این‌رو تصمیم گرفتیم تا موضوع رشد ترک به روش XFEM در یک ورق کامپوزیتی را در آباکوس تحلیل و شبیه‌سازی کنیم. آن دسته از عزیزانی که با مواد مرکب آشنایی دارند قطعا در تعریف پارامترها و خواص مکانیکی دید بهتری خواهند داشت. از اینرو توصیه می‌کنیم پیش از شروع به مدل‌سازی این مسئله، در خصوص مواد مرکب و معیارهای شکست در این مواد اطلاعات ابتدایی را کسب کنید.

به‌روزرسانی: در تاریخ 12 مرداد 95 این آموزش به‌روز شد.

صورت مسئله تحلیل و مدلسازی رشد ترک در آباکوس با روش XFEM

نمونه‌ای کامپوزیتی با ابعاد زیر در نظر بگیرید. جنس نمونه کربن/ اپکسی و جهت قرارگیری الیاف در این ماده 0 و 90 درجه است. چنانچه ترکی با طول معین در وسط این نمونه قرار داشته باشد، رفتار قطعه را در اثر باگذاری کششی در آباکوس تحلیل نمایید.

• ◄حوزه کاربرد: مهندسی مکانیک – مهندسی نساجی – مهندسی عمران
• ◄اطلاعات بیشتر در: Simuleon.com

حل مسئله‌ آنالیز رشد ترک در نرم‌افزار ABAQUS

در ابتدا فایل cae مربوط به مسئله را دانلود کرده و در آباکوس فراخوانی نمایید. این فایل حاوی اطلاعات هندسی، گام‌های حل، شرایط مرزی، بارگذاری و نیز شبکه‌بندی اجزای محدود است. از این‌رو تمرکز خود را بر روی دو موضوع ماده کامپوزیت و تحلیل XFEM متمرکز خواهیم کرد.

لینک دانلود: دانلود فایل آباکوس (CAE) پروژه تحلیل رشد ترک سه‌بعدی ورق کامپوزیتی با روش XFEM در آباکوس از لینک زیر:

دانلود فایل CAE

تذکر: از آنجایی که نسخه بکار رفته در مدلسازی فایل بالا، آباکوس 6.13 است، بنابراین دوستانی که نسخه‌های پایین‌تر را دارند می‌توانید فایل inp مساله را از لینک زیر دانلود کنند.

دانلود فایل inp

 پس از باز کردن فایل مذکور در محیط Abaqus، به ماژول Part وارد شده و یک قطعه از نوع Shell, Extrude (سه بعدی) به طول 11 و عمق 6 میلی‌متر ایجاد کنید. این قطعه معرف ترک خواهد بود. سپس به محیط Assembly بروید و قطعه ایجاد شده را مونتاژ نمایید. از آنجایی که عمق و طول ترک، از ضخامت ورق بیشتر است لذا فاصله‌ای به اندازه 1 میلی‌متر در هر سه بعد قطعه لحاظ کنید.

همانطور که در صورت سؤال عنوان شد، الیاف در دو راستای 0 و 90 درجه قرار گرفته‌اند. از این‌رو ضروری است تا خواص مکانیکی مورد نظر در این دو راستا تعریف گردد. به ماژول Property رفته و ماده‌ای با نام T300/920_90 تعریف نمایید. مسیر Mechanical → Elasticity در پنجره باز شده را دنبال کرده و Type : Engineering Constants را برگزینید. سپس خواص مکانیکی مورد نظر را بر اساس داده‌های زیر وارد نمایید.

در ادامه و با هدف تعریف معیار شکست در نمونه، مسیر Mechanical → Damage for Traction Separation Laws → Maxs Damage را دنبال کرده و مطابق تصویر زیر، به تکمیل فیلدهای مورد نظر بپردازید.

 سپس بر روی دکمه Suboptions کلیک کرده و گزینه Damage Evolution را انتخاب نمایید.

مجددا با کلیک بر روی دکمه Suboptions گزینه Damage Stabilization Cohesive را انتخاب نموده و در پنجره باز شده مقدار 1e-5 را وارد نمایید.

در ادامه مقطعی از نوع Solid همگن با ماده فوق ایجاد کرده و به بخش‌های نشان داده شده در شکل زیر اختصاص دهید.

با هدف تعریف جهت برای ماده، بر روی دکمه Assign Material Orientation کلیک کرده و ناحیه مشخص شده در تصویر فوق را انتخاب نمایید. سپس از Prompt Area حالت Use Default …. را برگزینید.

در پنجره باز شده Datum csys-1 را بعنوان سیستم مختصات انتخاب کرده و مانند تصویر زیر به تکمیل موارد مورد نیاز بپردازید.

حال به محیط Interaction رفته و از مسیر Special → Crack → Manager در منوی اصلی، به تعریف ترک بپردازید. برای این منظور نواحی مشخص شده در شکل زیر را در نظر گرفته و ترک ایجاد شده در ماژول Part را انتخاب نمایید.

حال باید گام‌های فوق در تعریف ماده را برای راستای 0 درجه تکرار کرده و پس از آن به تعریف ترک در نواحی باقیمانده بپردازید. از این‌رو و با توجه به ذکر روند در مرحله قبل، از تکرار آن اجتناب کرده و تنها به درج راهنمای تصویری در نقاط متفاوت اکتفا خواهیم کرد.

پس از تعریف جهت برای ماده فوق، به محیط Interaction وارد شده و مطابق تصویر زیر، خواص لازم برای تماس را تعریف نمایید.

از منوی اصلی، مسیر Special → Crack → Manager را دنبال کرده و مانند آنچه در مرحله قبل شرح داده شد، در دو مرحله به تعریف ترک برای نمونه بپردازید (گام اول برای سطوح کناری و گام دوم برای سطوح باقیمانده از تحلیل).

پس از اتمام مراحل فوق، به ماژول Step وارد شده و حلگری از نوع static, General با زمان 1 ثانیه تعریف کرده و در ادامه مسیر Other → General Solution Controls → Edit → step-1 را طی کنید. اخطار ظاهر شده را پذیرفته و با استفاده از تصاویر زیر به اصلاح مقادیر پیش‌فرض اقدام ورزید.

سپس به محیط Load رفته و مطابق تصاویر زیر به اعمال جابجایی در نقاط تعیین شده بپردازید.

از آنجایی که مش‌بندی ورق کامپوزیتی در فایل cae مسئله انجام شده است (روش های مش بندی در آباکوس)، می‌توانید مسئله را برای حل به ماژول Job ارسال نمایید. تصویر زیر نشان‌دهنده کانتور تنش در نمونه کامپوزیتی مورد نظر پس از تحلیل در آباکوس است.

تجربیات خود از این تحلیل را با ما در میان بگذارید.

منبع : آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک