基于ABAQUS 的兩種應力強度因子計算方法對比

姜 旭，寇園園，石朝龍

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2.西安石油大學陜西省油氣井及儲層滲流與巖石力學重點實驗室，陜西西安 710065）

斷裂力學[1]在鉆井工程領域中運用甚廣，其研究日趨復雜化、多樣化，由于工程實踐的復雜性，大量的解析解和經(jīng)驗公式充斥在實踐的各個環(huán)節(jié)[2]。表征裂紋尖端應力場強度的“應力強度因子（SIF）”是井壁裂紋分析的核心內(nèi)容[3]。裂紋尖端應力場的奇異性明顯，很大程度上造成了其求解誤差，解析解和經(jīng)驗公式都給工程時間帶來了巨大的偏差與困擾[4]。因而，建立高效、高精度的計算方法至關重要。在ABAQUS 中內(nèi)置有SIF的求解方法，本文將通過算例對ABAQUS 內(nèi)置求解方法與傳統(tǒng)“外推法”進行對比，得出若干結論。

1 基于單元應力的外推法計算SIF 的理論基礎

基于應力的外推法是計算應力強度因子最直接的方法，由應力強度因子的極限定義式（1）便知，KI是對應于裂尖（r=0）時的極限值，但是直接計算無法使得r=0。為了得到KI，便可使用合理外推的方式來計算KI，方法如下：

在運用ABAQUS 中易直接查詢（Inquery）到裂尖前端單元積分點上的應力值σy和對應的積分點的坐標值r，且其可以被輸出（Output）。同樣可以在繪圖軟件中畫出σy和r 的關系，不難得到應力分布曲線（見圖1）。這時，當單元被細化，其應力值將趨向于無窮，文獻中大都稱其為應力奇異。

圖1 裂紋尖端的應力分布示意圖

為了得到KI值，用ri來表示應力積分點與裂尖之間的距離，與其相對應的KIi共同組成數(shù)據(jù)對（ri，KIi）。在得到數(shù)據(jù)對之后，運用最小二乘法來擬合。

此時，令：

設KI=Ar+B，當r=0 時，KI≈KI（r=0）=B，顯然，易得每個數(shù)據(jù)點的偏差為KIi-KIi。

根據(jù)最小二乘法，擬合出的最優(yōu)結果滿足：

對A 和B 求偏導得到線性方程組，再進一步用ri和KIi相關的因子來表示A（斜率）和B（截距）的表達式如下：

因此，只要做出反映σy和r 的關系曲線，則其截距為應力強度因子。

2 ABAQUS 中兩種SIF 計算方法的實現(xiàn)[5-8]

2.1 ABAQUS 內(nèi)置方法計算SIF

ABAQUS 中建立半寬W=100 mm，半高H=200 mm，厚度1 mm 的平板模型（見圖2），該平板中心預制有一條裂紋，其半裂紋長度為20 mm；建立彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.25 的“彈性各向異性”固體材料；經(jīng)過裝配、網(wǎng)格劃分、指定裂紋和裂紋擴展方向以及裂紋尖端場的奇異性設置等操作。進行邊界條件設置和應力加載。（施加均布拉力30 MPa，下端兩角固定）提交作業(yè)后，裂紋尖端應力（見圖3）。

圖2 裂紋平板模型

圖3 Job 提交后的裂紋尖端沿Y 方向的正應力分布

在后處理中輸出的Data 文件中，ABAQUS 內(nèi)置方法計算出的SIF 值（見圖4）。

圖4 Data 文件中輸出的SIF 計算結果

2.2 ABAQUS 中外推法的實現(xiàn)過程

在后處理中，運用“單元應力的外推法”，通過定義“path”輸出（20，0）處至（25，0）處對應的應力值，輸出rpt 文件。將該文件中的數(shù)據(jù)導入表格中進行處理（見表1）。

表1 基于rpt 文件的數(shù)據(jù)處理

表1 基于rpt 文件的數(shù)據(jù)處理（續(xù)表）

基于表1 中數(shù)據(jù)繪制KI的變化趨勢圖（見圖5）。其截距238.26 即為KI值，該值與ABAQUS 求解器所求平均值244.13 的相對誤差僅為2.46%。

圖5 KI 隨ri 變化的趨勢圖

略去表1 中前21 組數(shù)據(jù)，排除裂尖的奇異性干擾。可求得更加接近的KI值：243.36（見圖6），其與ABAQUS 求解器所求平均值244.13 的相對誤差縮至0.32%，相關性系數(shù)從0.158 2 上升至0.989 2。

圖6 KI 隨ri 變化的趨勢圖

3 ABAQUS 求解器求解與外推法的求解值的對比

基于以上計算過程，進行對比（見表2）。

表2 SIF 求解結果對比

4 結論

（1）ABAQUS 求出的值與應力外推法的求解值相近，說明了ABAQUS 內(nèi)置的算法已經(jīng)相當精確。

（2）在削弱裂尖部位的奇異性影響后，可使得其與ABAQUS 內(nèi)置算法逼近，說明ABAQUS 的計算精度是可靠的。數(shù)據(jù)的剔除過程隨意性較大，客觀上造成計算結果的不確定性。

（3）基于應力的兩次外推過程，其差異化結果印證了裂紋尖端場所具有的奇異性特點，去掉裂紋尖端附近的點可有力減弱奇異性對應力強度因子的影響。

（4）裂紋尖端應力強度因子的研究對象是“裂紋尖端”，而實際計算中卻因尖端數(shù)據(jù)不收斂而舍棄了該部分數(shù)據(jù)，這造成了邏輯上的悖論。