Modeling onset and propagating of crack using ABAQUS

Modeling cracks in finite element software is done in several ways. In general, these methods can be divided into two categories: traditional methods and modern methods.

The traditional method is to include two methods:

  • Surface-based cohesive behavior
  • Virtual crack closure technique


In traditional methods, simulating onset and propagating of cracks, need to design meshing of model regarding to crack propagation probability. If the model is also considered to simulate opening and propagating of crack, it would be far more complex and harder. In this method crack opening direction should be predicted and elements faces should be in this direction. Also at the crack tip, singularity for the elements should be defined.

The new method, called the Extended Finite Element Method or XFEM many complexities and limitations of methods by using enriched elements have been fixed.

In this example we will investigate opening and propagating of crack in a steel plate using XFEM method. Sheet dimensions are 6*3 units and at the beginning there is a 1.5 unit long crack in the middle of it. Sheet is under longitudinal and transverse forces at two ends, making the crack to open and propagate.


Part / Sketch

First in part module, make 2D part and name it “Plate”. Using dimensions command to make it 6*3. We will come back to part module again later.


Property

In property modules, we define the desired material. Submit your material as defined in the previous examples.

E = 200 GPa
ν = 0.3

It is very important to have enough knowledge about failure criteria when you want to simulate it. But, here we only want to learn how to model crack in ABAQUS. One of the common failure criteria is the amount of maximum stress. In this example we will use these criteria. We consider 84 MPa for the start of cracking. Complete Maxps Damage and Damage Evolution settings according to the figure.

Do Damage Evolution settings from suboptions.


Assembly

In assembly module assemble an instance of “Plate”. Location of initial cracks in the piece is done in the Assembly module. Therefore it is necessary to return again to the Part module to create the crack initial geometry.

Create a new Part and name it “Crack”. Draw a horizontal line of length 1.5 units. Now in the tree diagram you may see Plate and Crack in the branch of Part.

Returned to the Assembly module and add crack to model. Note that more than once the parts are not assembled. To check this, there should not be more than two instances under assembly branch.

If parts have been assembled correctly, you should resemble the following figure.


Step

In Step module define a Static General step and turn Nlgeom on.


Interaction

To define crack, in interaction module follow the following path:

Special / Crack / Create

Create a crack with arbitrary name. Choose XFEM in create crack window. We will talk about XFEM and its methods in another post. In comparison with other crack modeling methods, XFEM is a new way that for the first time introduced in ABAQUS version 6.9. This concept adds some new characteristics to elements such as ability to divide and make them enriched.

In the Edit crack window choose the whole sheet as the Region and the crack lane in front of the crack location. It is possible to define interaction properties for crack edges but in this example we do not need it. Enriched region and initial crack are shown by green crosses.


Load

Please enter the Load module. Unlike the previous examples in this example instead of applying force on the part we will apply movement. First it is better to define some sets for the part special areas. Execute the following command from the main menu.

Tools / Set / Create

Name the set upper and choose Geometry type. Choose the upper edge of the part. In a same manner make another set and name it lower for lower part edge.

Click on Create boundary condition button. Select Displacement / Rotation and select upper using sets button from prompt area.

Enter -0.00135 and +0.00081 for longitudinal and transverse displacements like the figure. Similarly, for lower enter values of +0.00135 and -0.00081.


Mesh

In mesh module, mesh the plate in 0.1 unit size. In Assign Element Type check the family of plate elements to be Plane strain. Part crack does not need mesh.


Job

In Job module, define the model and click submit.


Visualization

To view the results of run click results and get into the Visualization module. In order to see better results and see how crack propagates increase scale from common options. The following animation shows crack opening trend and the Mises stress.

It is possible to adjust the number of frames in the Field Output options in step module.

72 comments

  • سلام.خ ممنون که پاسخم را دادید.در پاسخ به سوال پایین باید بگم که کلا در خروجی ها مقادیر آسیب را صفر نشان می دهد طوری که حتی نمونه تغییرشکل یافته  را هم نشان نمی دهد.
  • سلام.مرسی بابت سایت خوبتون.علاوه بر سوال پایین.یک سوال دیگه هم داشتم و اون این که مشخصات johnson-cook damage را از کجا میتونم پیدا کنم.پیدا کردن مقاله ای در این زمینه کمی دشواره.اگر کتاب یا منبعی را میشناسید یا میدونید که مشخصات (d1, d2, d3, d4, d5, melting temperature, transition temperature) هر کدام چه چیزی است ممنون میشم کمکم کنید.
  • با سلام مجدد میخواستم بدونم چطور میتوانم در مدل کاری کنم که نرم افزار بخش هایی از سازه را که طی بارگذاری چرخه ای آسیب دیده اند را حذف کنه.من مدل دیوار برشی فولادی دارم و برای فولادم از شکست نرم استفاده کردم.
    • اگر خواص damage تعریف کرده باشید و همچنین status را از field output فعال کرده باشید این اتفاق می افتد. مثالی در این مورد در فصلهای انتهای کتاب آورده شده است.
      • مرسی از پاسختون.من برای فولادم ductile damage در نظر گرفتم مقدار تنش سه محوری 0.67 و مقدار نرخ کرنش را 250 و مقدار کرنش گسیختگی را میزان مطرح شده در مصالحم در نظر گرفتم.تحلیل استاتیکی غیر خطی انجام دادم ولی باز هم افت در نمودار هیسترزیس و هم چنین شکست را در سازه ندیدم.از طرفی abaqus explicit را برای مصالحم گرفته ام.
  • سلام مهندس خسته نباشید من یه مدل سه بعدی دارم که به صورت orphan mesh آورده شده و یه میدان تنش از مرحله قیل روش قرار گرفته. همچنین یک ترک به صورت صفحه ای رو قطعه با روش xfem قرار داده شده. وقتی تحلیل میکنم خطای زیر ظاهر میشه. اگه امکانش هست به من بگید دلیلش چی میتونه باشه. Initial level set may not be applied to imported elements 8647 when the state parameter on the *import option is set yes از دوستان هر کی در این زمینه نظری داره ممنون میشم به من ایمیل بزنه amirhosein.hk@gmail.com
  • با سلام سوالی از خدمتتون داشتم ممنون میشم جواب بدین برای رفتار پلاستیسیته از نمودار تنش کرنش نتایج آزمایشگاهی استفاده میکنم. در نرم افزار قسمت conceret damage plasticity مقادیر comperessive behavior و tensile behavior را چطور از نمودار استخراج کنم؟ با تشکر از سایت خوبتون
    • باتوجه به اینکه تنها نمودار تنش کرنش مقاومت فشاری رو از نتایج آزمایشکاهی دارم و به مقادیر مقاومت و کرنش کششی دسترسی ندارم!! لطفا در این مورد راهنماییم فرمایید متشکر
    • با استفاده از نمودار تنش کرنش در حالت فشاری میتوانید داده های مورد نیاز compressive behavior را پر کنید. اما برای داده های tensile behavior شما بایستی داده های مربوط به ماده را در مقالات جستوجو کنید. اگر داده خاصی ندارید، شاید این نکنه که مقاومت بتن در کشش 7 تا 10 درصد بارگذاری در حالت فشار است کمک کننده باشد.
    • لطفا فارسی تایپ کنید. منظورتان از stress level روی ترک دقیقاً چیست؟ مقدار تنش در هر نقطه را می توان با استفاده از ابزار query استخراج کرد.
      • سلام، منظورم همان استرس در نوک ترک هست (در ترک متحرک در xfem). می‌خواستم گراف stress.time را بکشم، که ببینم به مرور زمان، استرس درcrack tip چقدر عوض می‌شه. ممنون
  • سلام مهندس جان خسته نباشید . بنده دقیقا توضیحات فوق را در نرم افزار اجرا نمودم اما با error مواجه شدم . سپس فایل inp موجود در بالت را اجرا کردم و کاملا تحلیل بدرستی صورت پذیرفت ، اما مشکل اینجاست که برخی از قسمت های مدل موجود با توضیحات فوق مقایرت دارند، به عنوان مثال در مدل مربوطه part ی برای ترک ایجاد نکرده است و حتی آن را با پارتیشن بندی هم تعریف نکرده ؟! همچنین در ماژول interaction در قسمت create conestraint از Equation استفاده نموده که دلیل وجود و نحوه تعریف آن را هم نمی دانم؟! به عنوان مثال در مدل موجود برای ایجاد ترک زمانی که وارد پنجرهXFEM می شویم هیچ گزینه ای برای انتخاب crack location وجود ندارد ؟!
    • اگر مدل را درست کار کرده باشید باید اجرا شود. تنها نکته ای که در سایت از قلم افتاده است این که در field output باید گزینه های xfemstatus و philsm را فعال کنید. تفاوتهایی که در فایل inp مشاهده می کنید مربوط به اختلاف ساختار فایل inp با فایل ایجاد شده در محیط ویژوال نرم افزار است وگرنه اختلافی میان دو فایل وجود ندارد. این اختلاف میان مش orphan و مش native است.
  • معنی پارامتر damage stabilation از نظر فیزیکی چیست ؟ با تغییر دادن اون میزان رشد ترک کاملا تغییر میکند یا حتی تو همگرا شدن تاثیر زیادی داره!
  • سلام معنی این warning می دونید the strain increment has exceeded fifty times the strain to cause first yield at 1 points من یک مدل xfem داره و بارها این اخطار میده و بعد با eroor خارج میشه یا این اخطار با اینکه کمترین step time 10e-10 the strain increment is so large that the program will not attempt the plasticity calculation at 1 points با تشکر
  • سلام بابک جان من دارم روی نورد کار میکنم نورد رو تحلیل میتونم بکنم ولی میخوام یک ترک رو ورق ایجاد کنم که ارور میده با explicit که نمیشه با implicit هم ارور میده به نظرت با کدوم روش انجام بدم جواب میگیرم ترک روی سطح پایینی ورق و ورق بین دو عدد رول هست ممنون
  • سلام من میخوام یک استوانه تحت فشار داخل 150 MPa رو به ابعاد شعاع داخل 40mm و شعاع خارج 75mm با وجود ترک 1mm تحلیل کنم. با وجود اینکهinitial increment رو 5e-7 انتخاب کردم باز هم تحلیلم به مقدار خیلی کم جلو میره و بعد error میده! فکر میکنید مشکل از کجاست؟ در ضمن مشبندی رو هم کمی تغییر دادم اما باز هم همین مشکل وجود داره!
      • XFEM البته با تغییر در مشبندی با incerement 5e-5 تونستم کار رو به آخر برسونم اما اگر بخوام بارگذاریم رو سنگینتر کنم مثلا تغییرات دما رو اضافه کنم باز هم به همین مشکل میخورم! الان میخوام بدونم که چطور باید ضریب شدت تنش رو در مود اول حساب کنم؟
        • در مدلسازی xfem اگر مسیر گسترش ترک از مرز المانها بگذرد در خیلی از موارد احتمال abort شدن وجود دارد که با تغییر سایز مش بندی و تمهیداتی از این دست شاید بتوان بر آن غلبه کرد. برای بدست آوردن شدت تنش باید ابتدا گسترش ترک را غیرفعال کنید و سپس در history output آنرا درخواست کرده باشید. در مسایل xfem توصیه نمی کنم که دنبال بدست آوردن شدت تنش باشد چون به شدت زمان تحلیل را زیاد می کند.
        • خیلی ممنون از مطالب مفید سایتتون میشه یه مقدار کاملتر روشو توضیح بدید و اینکه چطور باید در مود دوم و میکس مود ضریب شدت تنشو پیدا کرد! این هم ایمیل بنده اگه فایل آموزشی دارید لطف کنید برام بفرستید saeed.salavaty@gmail.com
      • برای مقایسه نتایج کار بله ولی برای بدست اوردن ضرایب شدت تنش مدل خودم(edge crack in finite plate) چی ؟همون راهی که در بالا فرموده بودیدو (output history...) رو عرض میکنم اگه امکانش هست واضح تر و کاملتر بگید ممنون
        • اگر این مقادیر را به عنوان history output ذخیره کنید در خروجی نرم افزار می توانید نمودار آنرا رسم کنید که تغییرات این ضریب را در طول دوره بارگذاری نمایش خواهد داد. نمیدانم نکته مبهم کجاست؟ اگر با کار کردن با History output و رسم نمودار آشنا باشید نکته خاصی ندارد.
  • سلام من میخوام یه محیط متخلخل رو با یه ترک مدل کنم. اما دنبال یه نرم افزار میگردم که هم معادلات جامد و هم سیال رو حل کنه و یا به عبارتی محیط دو فازی رو بتونه حل کنه. آیا آباکوس این قابلیت رو داره؟ ممنون میشم اگه راهنمایی کنید.
  • با عرض سلام بنده دانشجوی دکترای مهندسی عمران-گرایش خاک و پی هستم، می خواستم در رابطه با مدل سازی انتشار shear Bound ناشی از برش گسل زیر سد که به سمت بالا انتشار پیدا میکنه سوال کنم که آیا چنین قابلیتی در نرم افزار آباکوس وجود داره؟ ممنون میشم اگه راهنمایی بفرمایید. با تشکر
  • با سلام از راهنمایی هاتون خیلی استفاده کردم اما یک مشکل در اجرای پروژه خودم دارم و اون تغییر شکل صفحات فلزی به روش تغییر شکل با پد لاستیکی است ممنون می شم اگه کمکم کنین. rubber pad forming
  • <p style="direction: rtl">سلام مهندس عزیز. <p style="direction: rtl">خیلی دمت گرم از این آموزش.به موقع و به درد بخور.ولی من همینو خواستم روی المان solid ایجاد کنم نشد.یه چند تا سوالم برام پیش اومده که تو آموزش نبود و برای من مشکل بوجود آورد. <p style="direction: rtl">مشخصات crack چیه؟از چه نوع part ساخته شده؟ property ش چیه؟
  • Modeling discontinuities, such as cracks, as an enriched feature: can be performed using the static procedure (see “Static stress analysis,” Section 6.2.2), the implicit dynamic procedure (see “Implicit dynamic analysis using direct integration,” Section 6.3.2), or the low-cycle fatigue analysis using the direct cyclic approach (see “Low-cycle fatigue analysis using the direct cyclic approach,” Section 6.2.7); روش xfem در دینامیک explicit قابل استفاده نیست. در دینامیک implicit می توانید از آن استفاده کنید.
  • با سلام خدمت شما دوست عزیز و ضمن تشکر از شما بابت مطالب ارزشمندتون. اگه براتون زحمتی نیست روال بدست آوردن ضریب شدت تنش مود یک نوک ترک در آباکوس رو توضیح می دهید.فقط خواهش میکنم تا چهارشنبه بفرستید چون بشدت نیاز دارم.پیشاپیش از همکاری شما دوست عزیز صمیمانه سپاسگذارم.. RSH6787@YAHOO.COM
  • سلام من میخواستم از آباکوس برای مدلسازی یک کامپوزیت که تحت تنش قرار میگیره و از محل اتصال فیبر و ناتریس جداشدگی رخ میده استفادهکنم . گویا باید از cohesive element با ضخامت صفر استفاده کنم اما نمیدونم چطور لطفا راهنمایی کنید.
    • مساله شما بسیار خاص است و آموزشی برای آن در سایت نمی توانم بگذارم. در مثالهای مستندات آباکوس مثالهایی برای استفاده از المانهای cohesive وجود دارد. اگر با بررسی آنها متوجه روش نشدید برای راهنمایی های بیشتر با من تماس بگیرید.