ABAQUS/XFEM 研究 3D 打印聚合物考虑层间界面的断裂行为
摘要增材制造（或3D打印）正日益广泛应用于民用、航空航天和生物医学工程等领域，相比传统方法在模型原型制作上具有显著优势。然而，3D打印材料通常观察到的断裂抗力降低限制了其在功能性部件中的应用。本文使用扩展有限元方法（XFEM）结合有限元软件ABAQUS，研究了具有不同层取向的3D打印聚合物材料的断裂行为。考虑了通过熔融沉积成型（FDM）制备的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）单边缺口弯曲（SENB）试样，在不同裂纹尖端/层取向下进行三点弯曲测试。采用XFEM的内聚段方法模拟层间断裂（层间断裂）、穿层断裂（穿过层断裂）以及混合穿层/层间断裂。对于混合穿层/层间断裂，开发了各向异性损伤模型来预测观察到的kinked裂纹扩展模式以及断裂韧性对裂纹尖端/层取向的依赖性。图1：三点弯曲SENB模型1.引言增材制造（AM）过程——包括3D打印——是直接从数字数据创建三维物理零件和模型的通用术语。这些系统主要通过逐层制造实现。增材技术基于计算机辅助设计的实体建模部分。增材系统使用这些实体建模数据以极薄的横截面层构建。这使得制造复杂形状和表面比传统方法简单得多。FDM是一种流行的层状AM技术，使用生产级热塑性材料生产原型和最终使用零件。3D打印元件通过逐层沉积聚合物材料制成。由于FDM零件由生产级热塑性塑料（包括ABS和聚碳酸酯）构建，因此它们既功能性又耐用。断裂是3D打印聚合物的重要失效模式。它控制着ABS材料在各种不连续性导致临界弹塑性应变能释放率集中的情况下的极限强度。此外，断裂通常区分为脆性和韧性机制，涉及局部屈服和微空隙生长。在材料尺度上，断裂以韧性模式（穿层裂纹扩展）起始，并在裂纹扩展过程中转变为脆性模式（层间裂纹扩展）。在3D打印材料中存在混合穿层/层间断裂的行为相互用。图2：三种不同SENB层取向示意图2.计算模型假设三点SENB试样尺寸为100×20×10mm。测试在位移加载控制下进行。在长边中底部插入10mm预裂纹。梁跨距长度为80mm。与试样接触的销直径为6.35mm。在长边中上部施加的位移载荷从0.75到2.5mm开始。考虑了三种不同层取向的SENB断裂试样：1)垂直（层间断裂测试）；2)水平（穿层断裂测试）；3)倾斜打印（kinked层状断裂测试），其中θ表示裂纹尖端/层取向角（从Y方向）。材料属性ABS材料机械性能韧性行为(XZ轴)脆性行为(ZX轴)屈服拉伸强度31MPa26MPa极限拉伸强度32MPa28MPa拉伸模量2230MPa2180MPa断裂伸长率7%2%屈服伸长率2%1%泊松比0.350.35表2显示了层间和穿层实验测试的断裂能值。3.内聚区模型(CZM)与层间断裂测试不同，穿层断裂测试中的裂纹扩展呈现韧性性质，需要更多能量来解键垂直层以向前移动。根据描述材料失效的牵引-分离关系定律（TSL），脆性行为采用线性软化模型，韧性行为采用指数软化模型。特征长度由δ₀=2Γ₀/T₀给出。图3：内聚区模型中双线性和指数型牵引-分离定律示意图（不同指数定律参数α）4.ABAQUS/XFEM中的模型实现对于kinked断裂行为，开发了各向异性内聚区损伤失效准则模型，通过ABAQUS用户子程序实现，因为它结合了弱平面失效准则和最大主应力准则。弱平面失效准则:(σ₁₁/σ_al-x)²+(σ₁₂/σ_al-y)²+(σ₁₃/τ)²=1最大主应力失效准则:σ_p/N_p=1图4：三种不同断裂行为下的最大主应力云图（ABAQUS软件，2017）5.结果与讨论图5显示了实验与仿真结果之间的基准比较曲线。脆性行为曲线呈现尖锐下降，韧性行为呈现非线性弹塑性加载行为。倾斜试样（θ=75°）的曲线结合了两种机制。图6显示了三种不同断裂行为的载荷-位移曲线对比。垂直打印层（θ=0°）需要较低能量解键，而水平打印层（θ=90°）需要更多能量来启动和传播裂纹穿过层。图5：垂直、水平和倾斜打印层SENB的仿真与实验载荷-位移曲线图6：三种断裂行为载荷-位移曲线对比6.结论本研究证实了ABAQUS/XFEM分析3D打印层状材料的能力。它可以准确模拟3D打印层之间界面的行为。XFEM技术允许应用两种损伤准则，从而能够在一个材料中随不同3D打印方向（垂直、水平和倾斜）改变断裂行为。XFEM特别适合于模拟裂纹扩展现象，而无需事先知道裂纹路径。来源：ABAQUS仿真世界
