Моделирование и анализ трещин сложной формы

FRacture ANalysis Code 3D (FRANC3D) – это программный продукт для моделирования 3D роста трещин в инженерных конструкциях, в которых геометрия компонентов, условия нагрузки и изменяющаяся в процессе роста форма трещины могут быть произвольно сложными. Он предназначен для использования в связке с одним из универсальных конечно-элементных (КЭ) решателей – Ansys, ABAQUS или NASTRAN.

FRANC3D разработан для высокоточного вычисления КИН (коэффициент интенсивности напряжений) для трещин сложной формы в конструкциях, подвергающихся сложному нагружению. FRANC3D учитывает все необходимые факторы, влияющие на рост трещины: расположение трещины в пространстве, трещины сложной формы, детали сложной нестандартной формы, условия контакта между деталями, остаточные напряжения и местная их концентрация, давление, действующее на берега трещины.

Преимущества FRANC3D:

• Возможность использования уже существующих конечно-элементных моделей;
• Даёт точный прогноз ожидаемого срока работы детали с трещиноподобным дефектом;
• Включение трёхмерного анализа трещиностойкости на этапе проектирования способствует лучшей проработке качества изделия.

Этапы работы в FRANC3D:

1. Пользователь готовит конечно-элементную модель при помощи стандартных инструментов коммерческих систем (Ansys, ABAQUS, NASTRAN);
2. Пользователь определяет размеры подмодели для объёма с трещиной;
3. FRANC3D считывает данные сетки подмодели, добавляет к ней трещину заданной формы и ориентации в пространстве и перестраивает сетку с учётом этого изменения;
4. Подмодель с трещиной «собирается» вместе с остальной частью модели и передаётся в систему КЭ анализа (Ansys, ABAQUS, NASTRAN);
5. Полученные в результате расчёта поля перемещений считываются FRANC3D, на основе чего вычисляются коэффициенты интенсивности напряжений (КИН) в узлах фронта трещины;
6. КИН используются для вычисления величины прироста фронта трещины и направления её развития (движения);
7. На основе КИН трещины увеличивается в размерах и повторяются шаги 4 – 7. Процесс повторяется указанное пользователем количество раз.

Возможности и особенности FRANC3D:

• Работа основывается на конечно-элементных моделях;
• Интерфейсы к современным системам КЭ анализа: ANSYS, ABAQUS, NX/NASTRAN и MSC/NASTRAN;
• Начальная форма трещины может быть как с сомкнутыми берегами, так и с разомкнутыми;
• Поддерживает множество видов трещин (эллиптическая, сквозная и др.);
• Поддерживает одновременный учёт нескольких трещин при многошаговой нагрузке;
• Для увеличения точности расчёта вокруг фронта трещины строятся пирамидальные, гексагональные и призматические элементы;
• Графический интерфейс имеет несколько диалоговых окон для добавления трещины, её увеличения и анализа результатов;
• FRANC3D адаптивно перестраивает КЭ сетку модели для выросшей трещины;
• Алгоритм сглаживания сетки улучшает качество элементов;
• Коэффициенты интенсивности напряжений могут быть вычислены для случаев как изотропного, так и анизотропного материалов, с учётом изменения температуры, отдаления берегов трещины и действующего на них давления;
• Вычисление коэффициентов интенсивности напряжений в узлах фронта трещины для всех трёх видов трещин (KI, KII, KIII);
• FRANC3D сохраняет коэффициенты интенсивности напряжений для каждого фронта растущей трещины;
• Доступен выбор из нескольких способов расчёта изменения угла направления трещины и величины её прироста;
• Доступна аппроксимация линии фронта трещины полиномиальной функцией;
• Полностью автоматизированный процесс роста трещины с возможностью её неплоского развития. Возможность просмотра результатов в постпроцессоре FRANC3D;
• Автоматическое сохранение файла рабочей сессии учитывает все действия пользователя в GUI и позволяет править/модифицировать и запускать проект снова;
• Возможность применения программного интерфейса Python для автоматизации повторяющихся задач, использования пользовательских методик и связывания FRANC3D со сторонними продуктами и системами;
• Специальный модуль Fretting nucleation может быть использован для расчёта количества циклов нагрузки до зарождения трещины и места её образования;
• При помощи модуля усталостной долговечности можно вычислить количество циклов, требуемых для развития трещины до определённого (или критического) размера.