ALOF软件使用手册

三维裂纹扩展仿真软件ALOF用户手册User’sManualR2.1.3合肥洞力信息科技有限公司洞力公司成都分公司2010年12月前言复杂服役环境下金属结构及装备的裂纹扩展仿真分析，一直是工程界关注的重点与难点课题。电子计算机软硬件技术的飞速发展使得三维工程结构断裂分析成为可能。以美国爱荷华大学、英国伦敦帝国理工学院和新加坡国立大学三位博士为核心的专家团队，采用国际上最先进的求解不连续问题的XFEM技术和鲁棒性VNM技术，历时近五年，开发出了我国第一款自主知识产权的专业化高级三维裂纹扩展分析软件─ALOF©系统。ALOF©全称为AnalysesLaboratoryofFracture，意为一个面向疲劳断裂过程的仿真实验室。它以断裂力学为基础，对含缺陷构件进行模拟分析，为断裂失效分析专家提供科学数据和判断。ALOF©可以准确预测静载荷或疲劳载荷作用下裂纹行为，确定工程结构损伤容限，为完整性与耐久性分析提供依据。2006年以来，ALOF©分析的可靠性已经在广泛的工程实践和学术研究中得到了证实。目前，ALOF©软件由合肥洞力信息科技有限公司开展市场推广和商业化开发。公司有全职专业开发人员8人，市场策划和销售人员4人，分布在中国合肥，成都，美国和英国等多个国家和地区。该系统在国内外已有一定知名度，是当前国际上专业化工程结构疲劳裂纹扩展分析的仅有两款软件之一。本使用手册是以ALOF©软件2.1.3版本为基础来编写的，一般来说软件的更新速度远快于说明手册的更新。因此，建议正版用户常到公司网站上下载或索取最新的培训内容。2目录第一章软件安装…………………………………………………51.1ALOF系统的包装……………………………………………..51.2安装环境……………………………………………..61.3安装过程…………………………………………………71.4加密机制说明…………………………………………………6第二章前处理系统…………………………………………82.1CAD模型导入…………………………………………………82.2CAE模型导入…………………………………………………92.3裂纹模型的建立和导入………………………………………122.4材料属性………………………………………………………….13第三章求解分析系统…………………………………………163.1二维多裂纹体…………………………………………………….163.2三维裂纹体…………………………………………………….193.3中心裂纹有限宽板疲劳寿命………………………………….21第四章后处理系统……..……………………………………264.1打开分析结果………………………………………………..264.2显示未变形网格……………………………………………274.3显示变形网格………………………………………………..274.4显示带状云图…………………………………………………….2934.5显示轮廓云图…………………………………………………….304.6显示动画….……………………………………………………314.7获取节点信息.……………………………………………………324第一章软件安装1.1ALOF系统的包装ALOF软件是由合肥洞力信息科技有限公司研发的我国第一款完全自主知识产权的三维工程结构疲劳裂纹扩展分析系统。正版的ALOF软件有精美的商品包装。包装盒内有ALOF软件系统安装盘一张、软件加密狗一只、使用手册一本、帮助文档一本。光盘内还提供了与ALOF软件相关的技术文档、最新的工程算例及其详细的操作过程和动画视频等文件。不符合以上特征的ALOF系统都是非法版本，欢迎向洞力公司检举盗版行为，以维护双方的合法权益。注意事项：若用户将软件加密狗丢失，则洞力公司无法提供新的加密狗，用户将自动丧失享受相关售后服务的权利；若加密狗无法识别，请邮寄至公司，洞力公司负责调换。用户购买软件仅限于内部使用，洞力公司保留追索不正常的软件使用行为。1.2安装环境当前ALOF系统可在中英文WindowsXP/Vista/2000及Win7等主流32位操作系统下运行，亦可应用户要求定制在其他环境下运行。屏幕模式要求为1024×768真彩色，硬件要求为奔腾4以上处理器，硬盘20G以上，1G内存或更高。51.3安装过程ALOF软件各版本采用通用的安装菜单形式，过程简单，以WindowsXP环境下的安装为例，其步骤如下：1.将ALOF系统安装盘放入光驱，仔细阅读安装说明，并点击可执行文件开始安装。2.在WindosXP下运行“光驱：Setup.exe”程序，软件搜索系统中是否已经安装ALOF系统，若首次安装，则屏幕出现图1.1所示的对话框，等待用户确认安装。图1.1开始安装3.点击“Next”确认安装，即开始安装。洞力公司提醒用户一定要遵循法律，严禁盗版。图1.2让用户自定义选择安装位置。因6断裂分析前后处理文件较大，建议用户修改为其他盘。图1.2自定义安装4.当前ALOF系统安装后占用磁盘空间约190M。一直点击“Next”按钮，系统将在数十秒内完成安装。用户分析的工作目录及自带的所有标准算例和工程算例都在该安装目录下。5.安装完毕后，系统会在开始菜单中生成可执行的图标文件，用户点击此图标即可进入ALOF软件的全中文界面。1.4加密机制说明为了保护正版用户的合法利益，防止盗版，ALOF软件内核将在核心计算时自动检测加密狗，检测成功后用户可正常使用。7第二章前处理系统考虑到工程分析各部门分工愈加精细和市场上已有若干成熟的商业化CAD软件，当前版本的ALOF软件不提供CAD建模功能，但提供国际通用的无缝数据接口。ALOF软件接受Pro/E、Catia、Solidworks、UG等多数主流商用CAD软件模型。图2.1为ALOF软件的系统界面，其系统界面包括：主菜单、工具栏、信息提示栏、图形区、网格信息显示栏等。图2.1ALOF软件的系统界面2.1CAD模型导入用户在其他CAD软件中建立分析问题的模型后，用step格式保存并导出。把分析问题的CAD模型导入ALOF软件可有两种途径：8a)点击菜单栏中的“模型”下拉菜单，选择“导入CAD模型”按钮，找到有CAD软件保存的扩展名为step格式的文件；b)点击下方工具栏中红圈中类似倒U型的按钮亦可打开step文件，如图2.2。图2.2STEP网格模型2.2CAE模型导入对于需要进行分析的网格，ALOF软件可无缝接受从商业CAE软件如ANSYS、ABAQUS、HyperMesh等导出的inp格式的网格。同时，ALOF软件亦接受从以上有限元软件输出的结果文件，如温度场、应力应变场等。注意：ALOF软件的数据格式与ABAQUS相同，由ABAQUS保存的inp文件可直接导入ALOF软件。因此，在“模型”下拉菜单和9工具栏上的按钮打开的文件格式都是inp形式。把分析问题的CAE模型导入ALOF软件可有两种途径：1)点击菜单栏中的“模型”下拉菜单，选择“打开模型”按钮，打开inp格式的文件；2）点击下方工具栏中红圈中的按钮亦可打开inp文件，如图2.3。图2.3为在HyperMesh中建好有限元计算模型后导入到ALOF软件中的齿轮模型。图2.3齿轮网格模型需要特别说明的是，ALOF具备“一键式”四面体网格剖分功能，并可在常应变网格(三角形和四面体)下独一无二高效开展工程结构中裂纹的动态扩展分析与寿命评估。这一功能目前商业化裂纹扩展分析软件中，ALOF是唯一一家。下图2.4从上到下分别为ALOF中的“一键式”四面体网格剖分前10后模型的过程。图2.4高铁减震器中关键部件安装座模型在使用“一键式”网格剖分器建立问题的有限元模型时，ALOF软11件可自动根据CAD模型的最大尺寸和最小尺寸给出一个最佳的最大单元尺寸，最小单元尺寸一般设置为零，用户可根据需要改变系统的默认值。但在剖分过程中并不是单元边长为零，而是选择性地在模型奇异部位自动适当的加密网格，如图2.4。如果用户不希望得到过多的单元网格，可以自定义一个单元尺寸。此外，ALOF软件提供了一种如图2.3中所示的“数字坐标轴”，可帮助用户估计导入进来的CAD模型的大致尺寸以及可能采用的单元边长。需要注意的是，ALOF软件没有给出物理量的单位。ALOF会采用导入进来的CAD模型的单位。当用户对所划分的有限元网格不是太满意时，必须删除原先已划分网格，重新导入CAD模型。而有了“数字坐标轴”的可视化指示，则将大大提高客户分网的效率。2.3裂纹模型的建立和导入ALOF软件在分析裂纹扩展过程与传统分析方法的重大区别是：可以不用考虑裂纹的具体形貌、位置和大小。在进行裂纹分析前，用户仅需要建立与常规有限元分析完全一样的网格模型。分析时，用户仅仅导入由其他CAD软件或ALOF软件提供的裂纹模型即可“一步式”完成动态裂纹的扩展分析和构件的寿命评估。它变革了传统的裂纹分析方式，是裂纹扩展的重大技术进步。如图2.3所示，按照常规有限元方法完成有限元网格剖分后，即可在ALOF软件“模型”的下拉菜单中找到“导入裂纹数据”。展开菜单中的“导入inp格式裂纹”是针对二维任意裂纹，而“导入step格式裂纹网格模型”专门针对三维模型12的裂纹。也就是说，在ALOF软件中，二维裂纹是以inp数据格式表示裂纹，step数据文件表示三维裂纹，详述请见帮助文档。在压力容器的设计规范和缺陷安全性评估中，往往把工程检测到的裂纹或因焊缝导致的缺陷等简化为几种常见形状，并以此作为初始裂纹开展分析。在用户分析结构的疲劳裂纹扩展及寿命时，只需要根据检测到的裂纹大小在ALOF中设定相应尺寸参数，即可自动生成初始裂纹，并根据原有分析模型，使用鼠标方便把裂纹放入用户想要的任何部位，标准裂纹建模如图2.5。图2.5ALOF的标准裂纹建模工具关于ALOF软件中提供的标准裂纹建模使用方法及注意事项请参照帮助文档。2.4材料属性网格剖分后，即可定义分析问题的材料属性及相关参数。在此之前，ALOF软件需要定义几何特征集：节点集、单元集和表面集。ALOF13软件同时提供了集合管理器，供用户添加、删除和修改，详情见帮助文档3.3节的“网格”。“属性”下拉菜单包括两部分：新建材料属性和新建单元属性。二维问题的单元属性是指分析中的实常数如厚度等；系统默认三维问题的单元属性为1.0，但无实际意义，与ABAQUS一致。在定义单元的材料属性时需要用户指明前面定义的单元集和材料的名字。图2.6为材料属性定义。其中公共的材料属性有材料的密度；主要的力学性能指标有：弹性模量、屈服应力、热膨胀系数、断裂韧度和Paris公式的两个常数。需要指出的是，使用手册和帮助文档中所有实例分析中没有定义材料的断裂韧度，因此裂纹在给定的荷载和边界条件下是可以一直扩展的。用户在求解具体问题时查找并输入该指标，ALOF内核会判断裂纹是否会停止扩展。图2.6材料属性定义14此外，用户需要给所定义的材料拟定一个名字，以便在设置材料属性时使用它。2.2.1版的ALOF软件虽然不提供温度场分析功能，但用户在定义“热膨胀系数后”可以接受其他有限元软件温度场的分析结果，以便进行热应力分析。15第三章求解分析系统本部分介绍的是ALOF软件的核心计算模块。ALOF系统可替代有限元软件进行常规的强度校核分析，又能独立开展专业化的三维裂纹自动扩展分析和疲劳寿命评估。这里将分别用二维和三维裂纹分析为例说明如何使用本系统。图3.1为分析系统界面。图3.1求解分析系统界面3.1二维多裂纹体我们知道，压力容器中的缺陷往往是多个并存，当他们之间的距离小到一定程度时，会彼此相互干涉而增加危险性。多裂纹体的可靠性和安全性与单裂纹明显不同，针对该方面的研究已经成为国际前沿16和热点问题。ALOF系统是当前市场上为数不多的可快速模拟多裂纹相互干涉的商业软件。图3.2为断续节理岩体的单轴压缩实验模型，可简化为右图的二维模型，其中节理长度L=18mm，厚度0.3mm，倾角β=0°。节理排布方式为：单组多排节理对齐排列，节理中心距b和节理层间距d均取为3cm。该材料单轴压缩强度为8.51MP