裂纹扩展分析中几种模型和方法的应用
裂纹扩展分析XFEM在断裂问题中的应用
目录1 引言 (1)1.1 研究的背景 (1)1.2 研究的内容和途径 (1)1.2.1 研究的内容 (1)1.2.2 研究的途径 (1)1.3 研究的意义 (2)2 扩展有限元法的基本理论 (3)2.1 单位分解法 (3)2.2 水平集法 (4)2.2.1 水平集法对裂纹的描述 (4)2.2.2 水平集法对孔洞描述 (5)2.3 扩展有限元法 (6)2.3.1 扩展有限元法的位移模式 (6)2.3.2 扩展有限元离散方程的建立 (6)2.3.3 扩展有限元的单元积分 (7)3 断裂力学的基本理论 (9)3.1 裂纹的基本类型 (9)3.2 几种常见的断裂判断依据 (10)3.2.1 应力强度因子 (10)3.2.2 J积分 (10)3.2.3 COD判据 (11)3.3 线弹性断裂力学 (11)3.3.1 线弹性断裂力学适用范围 (12)3.3.2 应力强度因子准则 (12)3.4 弹塑性断裂力学 (13)3.4.1 J积分 (13)3.4.2 COD理论 (15)4 算例分析 (16)4.1 算例1 (16)4.1.1 建立裂纹体的几何模型 (16)4.1.2 裂纹体的有限元模型 (16)4.1.3 裂纹体的材料性能 (17)4.1.4 裂纹体的条件设置 (17)4.1.5 结果分析 (18)4.2 算例2 (22)4.2.1 椭圆孔对裂纹扩展的影响 (22)4.2.2 圆形孔对裂纹扩展的影响 (29)4.2.3 方形孔对裂纹扩展的影响 (32)4.2.4 三角形孔对裂纹扩展的影响 (35)4.2.5 孔形对裂纹扩展的影响 (38)本章小结 (41)结论 (44)参考文献 (45)致谢 (47)1 引言1．1 研究的背景自20世纪初以来，桥梁、船舶、管道、压力窗口、发电设备的汽轮机和发电机转子等曾多次发生过断裂事故，例如因为压力窗口的大型化或厚截面压力窗口的增多以及低温压力容器在化工、石油等工业中的广泛使用，使得断裂事故迭有发生，这些事故在世界各国都引起了广泛的关注，通过大量的断裂事故可以表明，构件的断裂都是由于其内部存在各种类型的裂纹所致，而这些裂纹的存在和扩展，使得结构的承载力在某种程度上不断削弱，从而影响了工程结构的质量与安全，所以研究断裂内部裂纹起裂情况及扩展规律，对工程的设计以及施工、维护等方面都具有重大的指导意义，不论是从经济、人身安全、技术等哪方面来考虑，深入研究裂纹起裂及扩展规律都显得更为有意义。
《2024年基于ABAQUS的裂纹扩展仿真软件及应用》范文
《基于ABAQUS的裂纹扩展仿真软件及应用》篇一一、引言随着现代工程领域对材料性能要求的不断提高，裂纹扩展仿真技术成为了研究材料力学行为的重要手段。
ABAQUS是一款功能强大的工程仿真软件，其基于有限元方法，广泛应用于各种复杂的工程问题。
本文将详细介绍基于ABAQUS的裂纹扩展仿真软件及其应用，分析其原理、特点及在实际工程中的应用效果。
二、ABAQUS裂纹扩展仿真软件原理ABAQUS裂纹扩展仿真软件基于有限元方法，通过构建材料的几何模型、设置材料属性、加载边界条件等步骤，实现对裂纹扩展过程的仿真。
软件采用先进的断裂力学理论，可以模拟裂纹的萌生、扩展、合并等过程，为研究材料的力学行为提供有力支持。
三、ABAQUS裂纹扩展仿真软件特点1. 高度灵活性：ABAQUS裂纹扩展仿真软件具有高度的灵活性，可以模拟各种复杂的裂纹扩展过程。
2. 准确性高：软件采用先进的断裂力学理论，能够准确模拟裂纹的萌生、扩展和合并等过程。
3. 易于操作：软件界面友好，操作简便，用户可以轻松构建几何模型、设置材料属性及加载边界条件。
4. 广泛适用性：ABAQUS裂纹扩展仿真软件可应用于各种工程领域，如航空航天、汽车制造、建筑等。
四、ABAQUS裂纹扩展仿真软件应用1. 材料研发：通过模拟裂纹扩展过程，可以帮助研究人员了解材料的力学性能，为材料研发提供有力支持。
2. 产品设计：在产品设计阶段，通过仿真分析可以预测产品在使用过程中可能出现的裂纹扩展问题，从而优化设计，提高产品的可靠性。
3. 结构安全评估：ABAQUS裂纹扩展仿真软件可用于对结构进行安全评估，预测结构在使用过程中可能出现的裂纹扩展问题，为结构的安全使用提供保障。
4. 实际工程应用：ABAQUS裂纹扩展仿真软件已广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑等领域。
例如，在航空航天领域，通过仿真分析可以预测飞机、火箭等结构在极端环境下的裂纹扩展情况，确保其安全性能；在汽车制造领域，通过仿真分析可以优化汽车零部件的设计，提高其耐用性和安全性。
裂隙岩体渗流应力耦合状态下裂纹扩展机制及其模型研究
此外，裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论还可以应用于岩体环境保护和灾害防 治等领域。例如，在核废料处理中，该理论可以帮助评估岩体的长期稳定性； 在地质灾害防治中，该理论可以预测和控制岩体的变形和破坏行为。
总结与展望
本次演示对裂隙岩体应力-损伤-渗流耦合理论进行了详细的介绍、分析和应用。 通过理论分析、实验研究和工程应用，验证了该理论在裂隙岩体研究中的重要 性和有效性。该理论的应用有助于深入了解裂隙岩体的力学和渗流特性，为相 关领域的工程实践提供有益的参考。
二、多重裂隙网络模型
多重裂隙网络模型是一种新的数值模型，它考虑了岩体内部复杂的裂隙网络和 多孔介质性质。这个模型通过建立一个细致的裂隙网络，模拟了岩体内部应力 场和渗流场的交互作用。
首先，该模型基于真实的岩体结构，通过图像处理和计算机视觉技术，从实验 或实际工程中获取的岩体图像中提取出裂隙网络。然后，通过有限元方法，该 模型能够在数值模拟中反映这些裂隙的真实分布和性质。
研究方法
本次演示采用实验研究和数值模拟相结合的方法，对裂隙岩体在渗流应力耦合 状态下的裂纹扩展机制进行探讨。首先，设计一组室内实验，制备具有不同裂 缝特征的裂隙岩体试件，通过对其加卸载和渗流监测，研究其应力应变关系和 裂缝扩展特征。然后，利用数值模拟方法，建立裂隙岩体三维模型，模拟其在 渗流应力作用下的行为，对实验结果进行验证和分析。
实验结果与分析
通过实验研究，发现裂隙岩体在渗流应力耦合作用下，其裂缝扩展具有以下特 征：首先，裂缝扩展方向与渗流方向一致；其次，裂缝扩展速率与渗流应力成 正比；最后，裂缝扩展过程中伴随着渗流速率的增加。
模型建立与验证
基于实验结果，本次演示提出一个裂纹扩展的数学模型。该模型考虑了渗流应 力、裂缝面粗糙度和岩石弹性模量等因素，能够描述裂纹扩展的方向、速率以 及渗流速率的变化。通过将该模型应用于数值模拟，发现模拟结果与实验结果 基本一致，从而验证了模型的准确性和实用性。
短裂纹扩展规律及分析方法整理
一、材料疲劳裂纹扩展研究现状许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。
工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
二、短裂纹的定义短裂纹的定义有两种其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效性条件的裂纹统称为短裂纹;其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂纹。
疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹( physical short crack，PSC) 行为。
主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。
三、短裂纹萌生机理关于短裂纹的形成有三种解释：第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。
当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。
第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。
金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。
第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
裂纹扩展的扩展有限元(xfem)模拟实例详解
基于ABAQUS 扩展有限元的裂纹模拟化工过程机械622080706010 李建1 引言1.1 ABAQUS 断裂力学问题模拟方法在abaqus中求解断裂问题有两种方法（途径）：一种是基于经典断裂力学的模型；一种是基于损伤力学的模型。
断裂力学模型就是基于线弹性断裂力学及其基础上发展的弹塑性断裂力学等。
如果不考虑裂纹的扩展，abaqus可采用seam型裂纹来分析(也可以不建seam，如notch型裂纹)，这就是基于断裂力学的方法。
这种方法可以计算裂纹的应力强度因子，J积分及T-应力等。
损伤力学模型是指基于损伤力学发展而来的方法，单元在达到失效的条件后，刚度不断折减，并可能达到完全失效，最后形成断裂带。
这两个模型是为解决不同的问题而提出来的，当然他们所处理的问题也有交叉的地方。
1.2 ABAQUS 裂纹扩展数值模拟方法考虑模拟裂纹扩展，目前abaqus有两种技术：一种是基于debond的技术（包括VCCT）；一种是基于cohesive技术。
debond即节点松绑，或者称为节点释放，当满足一定得释放条件后（COD 等，目前abaqus提供了5种断裂准则），节点释放即裂纹扩展，采用这种方法时也可以计算出围线积分。
cohesive有人把它译为粘聚区模型，或带屈曲模型，多用于模拟film、裂纹扩展及复合材料层间开裂等。
cohesive模型属于损伤力学模型，最先由Barenblatt 引入，使用拉伸-张开法则（traction-separation law）来模拟原子晶格的减聚力。
这样就避免了裂纹尖端的奇异性。
Cohesive 模型与有限元方法结合首先被用于混凝土计算和模拟，后来也被引入金属及复合材料。
Cohesive界面单元要服从cohesive 分离法则，法则范围可包括粘塑性、粘弹性、破裂、纤维断裂、动力学失效及循环载荷失效等行为。
此外，从abaqus6.9版本开始还引入了扩展有限元法（XFEM），它既可以模拟静态裂纹，计算应力强度因子和J积分等参量，也可以模拟裂纹的开裂过程。
Abaqus裂纹扩展分析
定义初始粘合裂纹面可能裂纹表面建模时采用采用主、从接触面来定义。
在接触形式中，除了有限滑动、面对面形式以外，其他所有接触形式均可使用。
预先定义的裂纹面在初始时应部分粘合，裂纹尖端因而可以被Abaqus/Standard显式识别。
初始粘合裂纹面不能采用自接触形式。
定义初始状态（initial condition）以识别裂纹初始绑定部分。
用户可以定义从接触面（slave surface）、主接触面（master surface）、以及用来识别从接触面初始部分粘结的节点。
从接触面上没有粘结的部分表现为正常接触面。
主接触面及从接触面均需要指明。
如果没有节点如上所述被定义，初始接触状态将被应用于整个接触对。
这种情况下，不能识别出裂纹尖端，因而粘结面不能分开。
如果节点如上所述被定义，初始解除状态将被应用于从接触面上已定义的节点处。
Abaqus/Standard将进行核对以确保所定义节点只包含从接触面上的节点。
*INITIAL CONDITIONS, TYPE=CONTACT激活裂纹扩展能力（crack propagation capacibility）裂纹扩展能力需要在STEP定义中被激活，以确保初始部分粘合的2个面有可能产生裂纹扩展。
用户需要指明会产生裂纹扩展的面。
*DEBOND, SLA VE=slave_surface_name，MASTER=master_surface_name多裂纹扩展裂纹可以在一个或多个裂纹尖端处产生扩展。
一个接触对可以在多个裂纹尖端处产生裂纹扩展。
然而，对于给定的接触对只能拥有一个裂纹扩展准则（crack propagation criterion）。
定义开裂振幅曲线（debonding amplitude curve）开裂产生后，通过从接触面节点及主接触面相应节点上大小相等方向相反的力产生面间牵引。
当采用临界应力准则、临界裂纹开口位移准则、裂纹长度-时间破坏准则时，用户可以定义粘结面上某点产生开始时，上述力以何种方式降至零。
3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用
3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用现代CAE技术的发展极大地提高了航空领域复杂结构的设计的效率和技术水平。
针对适航性要求和复杂工况下飞机结构安全保障的迫切要求，损伤容限设计和耐久性设计已经需要我们在日常设计中贯彻和实施；对飞机结构进行高可靠度的3D裂纹扩展分析，显著提高飞机结构的数字化虚拟试验能力，拓展全机实验效用, 缩短型号研制周期；对在役飞机进行科学的寿命评估，定寿延寿和确定合理的检修周期等已经是我们面临的迫切问题。
本文系统地介绍了ZenCrack软件做为目前市面上唯一商用的3D裂纹扩展分析软件在上述研究方向的应用和实践效果。
1 航空领域损伤容限设计和耐久性设计现状和挑战航空工业是国家的技术前沿和骨干行业，其产品开发和制造技术水平，不仅是质量和效率的保障，更是国家实力和形象的象征。
同时，航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。
当前，数字化技术已经成为全球航空工业产品开发和生产的最有力手段和企业的核心竞争能力。
以CAE/CAD/CAM为核心的虚拟化仿真设计制造技术是现代航空数字化产品研制以及航空工业信息化的基石，也是高技术竞争的具体体现。
其中，CAE对航空产品的技术贡献尤其关键，国外已有许多成熟的CAE软件可对各种产品进行设计和多种性能的虚拟仿真，如结构力学分析(FEA)、流体力学分析(FEA)、计算流体力学分析(CFD)和计算电磁学分析(CEM)等在航空产品设计中获得了广泛的应用。
其中，和损伤容限设计和耐久性设计相关的三维裂纹扩展分析，已经在国际航空发达国家逐步实施，并且已经成为了国际适航性条例要求。
然而，国内对飞机结构三维裂纹扩展分析还存在着很大的局限性，主要表现在以下几个方面：1)目前的结构损伤容限分析和寿命预测的CAE技术仍然基于几十年前发展起来的二维断裂理论和经验方法的框架;2)缺陷常发生在几何上处理困难的部位;3)对初始裂纹的尺寸、构型和位置的准确描述;4)裂纹在扩展的动态过程中的非平面扩展; 5)数值计算需要裂纹前缘的详细描述。
XFEM实现裂纹扩展
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网格划分
焊缝在管道的上下起始位置，造成几何模型的急剧变化， 导致网格不容易划分，因此，使用专业的的前处理软件 ANSA进行网格划分，使得焊缝的网格密度大于其他位置 的网格密度。
初始裂纹在焊缝中的位置
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分析过程
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I型裂纹扩展过程的动画演示
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II型裂纹扩展过程的动画演示
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ABAQUS采用XFEM模 案例2 块实现压力容器的裂纹 过程的模拟，如果图所 示，压力容器与外部连 接的接口处存在初始微 裂纹，当容器内压力达 到一定程度，裂纹开始 启裂并扩展。 模型的建模与应用针对 工程实例，很好的展现 了XFEM强大的裂纹扩 展功能。
石油管道的裂纹扩展模拟
利用ABAQUS的XFEM方法实现石油管道的裂纹扩展，在 已知起始裂纹尺寸的情况下，根据外部载荷模拟裂纹的起 裂和扩展过程。 由于裂纹的尺寸较整体模型尺寸较小，因此采用用户子模 型的方法对局部进行更加细致的分析。
一、XFEM模块功能简述
ABAQUS V6.9及其以后的版本将拓展有限元方法引入到 其分析中，并增加了新的模块XFEM，该方法可以认为是 有限元方法处理不连续问题的革命性变革。这是第一个将 XFEM商用化的软件。 固体力学中存在两类典型的不连续问题，一类是因材料特 性突变引起的弱不连续问题，这类问题以双材料问题和夹 杂问题为代表，其复杂性由物理界面处的应变不连续性引 起；另一类是因物体内部几何突变引起的强不连续问题， 这类问题以裂纹问题为代表，其复杂性由几何界面处的位 移不连续性和端部的奇异性引起。物体内部物理界面的脱 粘或起裂，是上述两类问题的混合。
用ANSYS作裂纹走向预测的计算技巧
用ANSYS作裂纹走向预测的计算技巧ANSYS是一个广泛应用于工程领域的有限元分析软件，用于模拟和解决各种工程问题。
在裂纹走向预测方面，ANSYS提供了多种功能和技巧。
本篇文章将介绍ANSYS在裂纹走向预测方面的计算技巧，并提供一些实用的方法和建议。
以下是一些值得关注的关键步骤和技巧：1.建立准确的模型：在进行裂纹走向预测之前，需要建立一个符合实际情况的准确模型。
模型的准确性对于预测结果的准确性至关重要。
在建模过程中，需要考虑材料的性质、裂纹的大小和方向以及与裂纹配合的部件的几何形状。
2.材料参数的输入：ANSYS提供了材料数据库，可以选择标准材料参数。
然而，在一些情况下，需要自定义材料参数。
这涉及到材料的宏观和微观力学性质。
这些材料参数包括弹性模量、屈服强度、破坏韧性等。
正确输入材料参数对于准确预测裂纹走向至关重要。
3.边界条件的设置：边界条件对于裂纹行为的模拟非常关键。
在模型中正确设置边界条件将能够准确预测裂纹的行为。
对于裂纹走向预测，需要考虑材料的加载状态和应力分布。
要模拟真实情况下材料的力学行为，可以设置边界条件来模拟真实的受力情况。
4.裂纹尺寸的输入：在模拟裂纹行为时，需要定义裂纹的尺寸。
ANSYS提供了多种定义裂纹尺寸的方法，包括手动输入和自动生成。
在裂纹走向预测中，可以通过输入不同的裂纹尺寸来模拟不同的裂纹形态，然后预测不同的裂纹走向。
5.工程应力的加载：工程应力加载是模拟实际工程问题的关键步骤之一、通过在模型中应用工程应力，可以模拟裂纹行为的响应。
可以在ANSYS中使用加载边界条件来模拟不同的加载条件，例如拉伸、压缩或弯曲。
6. 材料损伤准则的选择：裂纹走向预测中，需要选择适当的材料损伤准则。
材料损伤准则用于预测裂纹扩展方向和速率。
ANSYS提供了多种材料损伤准则，如J-Integral、CTOD等。
选择适当的材料损伤准则可以提高预测结果的准确性。
7.结果分析和后处理：在模拟完成后，需要对结果进行分析和后处理。
内聚力模型在裂纹萌生及扩展中的应用
内聚力模型在裂纹萌生及扩展中的应用孙家啟;纪冬梅;唐家志【摘要】断裂及开裂是工程中严重的结构失效形式.结合传统断裂力学中应力强度因子K以及J积分,综述了内聚力模型基本思想及发展,分析了典型的内聚力模型及模型应用的局限性,总结了不同内聚力模型在有限元中的实现形式,概述了国内外学者关于内聚力模型解决不同材料裂纹萌生与扩展的研究状况,得出了内聚力模型可以用以研究裂纹尖端塑性变形、静力和疲劳载荷条件下的蠕变开裂,以及金属、岩土材料及混凝土、复合材料及纳米晶材料裂纹萌生与裂纹扩展的结论.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2016(032)002【总页数】7页(P129-134,139)【关键词】内聚力模型;有限元方法;裂纹萌生;裂纹扩展【作者】孙家啟;纪冬梅;唐家志【作者单位】上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TB383.1对于含裂纹结构失效的问题,尤其是裂纹尖端应力场的分布与演化,研究者们尝试采用不同的方法予以解决.1921年,GRIFFITH A A[1]提出,当裂纹扩展过程中释放的弹性应变能与新裂纹形成的表面能相等时,裂纹就会失稳扩展,这对脆性材料的断裂理论做出了开创性研究.[2]严格地说,Griffith理论只适用于理想脆性材料,IRWIN G R[3]和OROWAN E[4]各自提出了裂纹尖端区域塑性耗散功的理论,将Griffith理论应用到工程材料中.1958年,IRWIN G R[5]提出了临界应力强度因子概念,巧妙地将能量释放率和裂纹尖端应力强度因子结合起来,进一步推动了断裂力学的发展.1961年,PARIS P C等人[6]将应力强度因子理论应用于疲劳裂纹扩展的研究中.当裂纹尖端塑性区尺寸不能忽略时,裂纹尖端塑性区域的应力应变场已无法由K场表征.RISE J R[7]提出了与路径无关的J积分,奠定了弹塑性断裂力学的理论框架.J 积分虽然可以处理弹塑性材料的断裂问题,但对于塑性过程区相当大的裂纹前缘,萌生后裂纹的扩展过程是人们更为感兴趣的阶段,[8]而且传统断裂力学往往不适用于研究裂纹的萌生阶段.近年来,内聚力模型(Cohesive Zone Model,CZM)已被广泛应用于有关裂纹扩展的研究中,相比于应力强度因子K,内聚力的存在使得裂纹尖端保持闭合的趋势,在一定程度上减轻甚至消除了应力的奇异性.CZM将裂纹问题归结为一个非线性边值问题,并不需要起裂扩展准则,而且该模型基于弹塑性断裂力学,其适应性强,可以解决很多的非线性、大变形问题.本文综述了CZM的发展过程、与有限元算法结合的具体实现,以及基于内聚力模型的有限元算法在不同材料裂纹萌生与扩展中的应用.1.1 内聚力模型的发展CZM首先由DUGDALE D S[9]和BARENBLATT G I[10]提出,BARENBLATT G I 将CZM应用于脆性材料的断裂研究中,DUGDALE D S采用类似CZM模型,研究了裂纹尖端的屈服和塑性区尺寸的大小.在这些早期关于非线性断裂的研究中,当内聚力区尺寸小于裂纹和试样尺寸时,CZM理论与GRIFFITH A A的能量平衡理论等效.对于内聚应力的分布,DUGDALE D S将其看作在数值上等于材料的屈服强度,但这与物理事实不符.BARENBLATT G I认为内聚应力是内聚区裂纹面各点处裂纹张开位移的函数,在分子尺度上引入了内聚力,但符合这一特性的解析式较难具体给出,而实际情况下,多数研究者仍然假设内聚力为常数.HILLERBORG A等人[11]在BARENBLATT G I的基础上加入了拉伸强度,首次将内聚力模型应用到有限元计算中,模拟了脆性材料的断裂过程.该模型不仅允许已有裂纹的增长,还允许新裂纹的萌生与演化,并且完整地描述了基于该模型断裂过程的细节.NEEDLEMAN A[12]采用高次多项函数,模拟了延性材料的断裂情况.KOLHE R 等人[13]在对镍铝合金的剪切断裂性能进行数值模拟时,采用了分段函数的方法来描述CZM.CZM的实质是表征分子和原子间相互作用的简化模型,裂纹的尖端被假定为两个裂纹界面组成的一个很小的内聚区,内聚区的本构关系即界面上作用牵引力T与两裂纹面间相对位移U之间的关系.图1为内聚力模型和裂纹尖端内聚区的分布.图1中,由未完全承载的点A开始,T随着U的增加而增加,随之达到一个应力最大值Tmax的点C,此时该材料点的应力承载达到了最大值,材料点开始出现初始损伤.随着界面位移的继续增大,应力开始下降,该阶段为材料点的损伤扩展阶段,点E为裂纹界面完全分离的材料点,其承载降为零.内聚力区内应力的变化通过内聚力法则和裂纹界面位移联系起来,针对不同的材料,可以选择不同的内聚力法则,通过选取适当的参数,可以反映界面层的强度、韧度等力学性能.1.2 内聚力模型分类1.2.1 基于有效位移的内聚力模型基于位移的内聚力模型将裂纹上下表面之间的有效牵引力定义为有效分离位移的函数,即牵引力分离法则.常见的牵引力分离法则有线性软化、双线性软化,以及指数、梯形等.将模型中有效牵引力与内聚强度σmax归一化处理后如图1所示.不同模型的区别在于与之间函数关系的不同,通常情况下,材料的断裂是基于裂纹面法向应力Tn 的1型裂纹和基于裂纹面切向应力Tt 的2型裂纹的混合失效模式. TVERGAARD V[14]引入的内聚力模型为:式中:δn,δt——断裂时对应的断裂面法向和切向位移;无量纲有效位移, ;立方多项式模型有效牵引力,αe——无量纲1型和2型断裂模式混合常数;Δn,Δt——裂纹面法向和切向位移.式(1)是基于有效位移的内聚力模型的代表形式,如文献[15]提出的内聚力模型为: 式中:ψ——界面表面能.而法向和切向的牵引力Tn和Tt满足令αe=δn/δt,式(3)和式(4)即式(1)的特例.文献[16]提出的能够应用于多晶脆性材料和沥青混凝土的线性软化模型为:式中:σmax——法向内聚强度;τma x——切向内聚强度;Ds——内部残余强度变量.上述模型亦可以扩展到三维裂纹的模拟,然而基于有效位移的内聚力模型存在以下两个问题:一是模型在软化条件下,正的刚度容易造成不合理的牵引力-位移关系的出现;二是模型的断裂能为常数,而实际上1型裂纹和2型裂纹的断裂能不同,在混合断裂模式中,断裂能不是常数,所以模型不能进行混合断裂的模拟.1.2.2 基于势能的通用内聚力模型基于有效位移的内聚力模型在解决裂纹扩展中出现的问题,可以在基于势能的通用内聚力模型中得到解决.基于势能的通用内聚力模型应用三次多项式表示法向牵引力,用线性关系式表示切向牵引力,例如文献[17]应用于研究空穴形成和生长的模型为:式中:αs——剪切刚度参数.由界面表面能函数可得到法向和切向牵引力:式中,Δn<δn,但当Δn>δn时,对应点的内聚力为零.内聚力模型在断裂力学研究的问题上有诸多的优势,并且随着计算机计算能力和有限元方法的日益发展,更多的研究者开始使用和改进内聚力模型并结合有限元方法,用以解决多种材料的断裂问题.有限元中内聚力模型的实现方式是引入内聚力单元,利用内聚力单元建立界面周围材料之间的应力应变关系,用应力-位移形式,即用TSL(Traction Separation Law)来定义内聚力单元的本构关系.当内聚力单元的应力或应变状态满足损伤起始准则后,内聚力单元开始发生损伤,即进入损伤演化阶段.目前,TSL法则主要有双线性、梯形、多项式以及指数等多种表达式,图2给出了常见的线性衰减演化和指数衰减演化模式.这两种演化模式都是在只受法向拉力作用下,应力值随着相对位移的增加而增大,当界面元的相对位移大于其损伤点U0所对应的位移后,随着相对位移的增加,界面元刚度开始下降;当界面元相对位移增加至图中B点时,界面单元刚度降为零,此时界面元的相对位移为Uf,界面元连接的上下两个单元可以完全分离.曲线O-A-B-O所包围的面积即为材料破坏过程中的应变能释放率,数值上等于新生裂纹面的界面表面能.利用内聚力单元模拟裂纹的扩展,首先要将内聚力单元嵌入有限元模型中,嵌入的方式有两种:一是在可能出现裂纹的路径中插入内聚力单元;二是在数值模拟的过程中,在需要的时间和位置自适应地插入内聚力单元.在使用内聚力模型分析工程材料的失效问题时,有限元分析是非常重要的.[18]对于内聚力模型本身的适用性不存在很大争议,但是如何在数值模拟中植入内聚力模型,提出了很多种方法,如XIE D等人将其分为两种:一是连续内聚力模型,二是离散型内聚力模型.[19-20]连续内聚力模型认为断裂过程区是一个连续的柔性层,连续介质的本构关系采用内聚力法则.目前常用的连续内聚力单元为CAMANHD P P等人[21]提出的零厚度的界面内聚力单元.离散内聚力模型认为断裂过程区为一个离散的弹簧基础,弹簧基础连接两个裂纹表面相邻的节点对,用非线性类型的弹簧基础模拟内聚力特性.CZM已经被广泛应用于研究多种材料的失效现象,其研究对象包括脆性材料、准脆性材料、高分子聚合物材料、功能梯度材料、纳米材料、单晶和多晶材料等.此外,CZM也被应用于疲劳裂纹扩展、钢筋混凝土的粘结滑移、材料的动态断裂等现象的研究中.3.1 脆性材料针对弹塑性分析中小范围屈服条件下线弹性裂纹的分析,研究者对内聚区作了很多种假设.1967年,KEER L M[22]假定内聚区牵引力沿着光滑连接的裂纹表面以经典弹性力学本构方程分布.在Keer方法的基础上,CRIBB J L和TOMKINS B[23]得到了一种满足脆性材料裂纹尖端应力分布的内聚区应力与裂纹面张开位移的关系.随后,SMITH E[24]得到了内聚区应力-张开位移的通用理论,并且可以用一系列简单公式表达其关系.对于混凝土、岩石、纤维混凝土等准脆性材料存在相对较大的非线性断裂区域,其表现出的明显非线性断裂特性和断裂参数,存在显著的尺寸效应现象引起了国内外许多学者的关注.HILLERBORG A等人[25]在模拟混凝土材料断裂的过程中引入了线性软化模型,该模型由材料的内聚力强度和产生新的裂纹面释放的断裂能决定.之后有许多断裂分析模型得到了应用,如等效裂纹、双参数和双K断裂模型,以及由初始断裂能和总断裂能确定的用于研究混凝土断裂及裂纹尺寸效应的双线性软化模型等.WEIBULL W[26]关于由随机统计性引起的尺寸效应的研究、CARPINTERI A[27]关于裂纹的分形特性引起的尺寸效应的研究和BAIANT Z P等人[28]关于裂纹的能量释放和应力重新分布引起的尺寸效应的研究是国内外关于混凝土材料断裂和裂纹尺寸效应研究的3个主要方面.另外,相关学者对纤维混凝土的断裂过程也进行了研究,纤维混凝土的断裂要考虑素混凝土失效以及与纤维相关的失效机制.3.2 聚合物聚合物典型的失效主要有材料的剪切屈服和银纹的产生两种形式.与剪切屈服相比,由于裂纹尖端应力集中而导致的银纹生成和积累更容易造成聚合物材料的失效,细观层次的银纹形成和断裂表现为宏观层次的裂纹生成和扩展.内聚力在聚合物材料银纹扩展的研究中得到了广泛应用.聚合物的断裂过程包括银纹的萌生、银纹的扩展和银纹的断裂3个过程.文献[29]应用基于细观力学的内聚表面模型来分析聚合物银纹断裂的3个阶段,研究者将高密度的内聚表面插入连续介质中,模拟了聚合物中的大规模银纹形成现象.3.3 纳米晶金属金属材料的断裂过程一般要经历微裂纹的萌生、裂纹的扩展和裂纹扩展到临界尺寸后扩展失稳至完全断裂几个阶段.随着晶粒尺寸的减小,与较粗晶金属相比,微、纳米晶金属材料的变形机制出现了很多新特征,晶粒内部会产生较大的应变梯度,原子模拟和传统连续介质方法无法解释材料的微结构由于尺寸效应而表现出的强化和尺度效应.于是表征超细晶和纳米晶金属晶粒内部不均匀塑性变形的基于机制的应变梯度塑性(CMSG)理论和模拟晶粒间滑移与分离,以及晶间微裂纹的萌生和扩展的内聚力界面模型在纳米晶金属断裂研究中得到广泛应用.HUANG Y等人[30]基于Taylor位错模型建立了CMSG,只包含传统应力、应变分量的CMSG理论的本构方程可以表示为:式中:应力率;K——体积弹性模量;kk——体应变率;δij——Kronecker张量;μ——剪切模量;应变率偏量;——等效应变率;σe——von Mises等效应力;σy——材料初始屈服强度;m——率敏感性指数;——应力偏量;f——单轴拉伸时塑性应变ξp的无量纲函数.基于该本构关系,利用内聚力模型,吴波等人[31]对纳米晶Ni晶间断裂进行了数值模拟.该研究利用Voronoi tessellation方法建立随机晶粒模型,假定晶间断裂是纳米晶Ni惟一的断裂失效模式,验证了纳米晶金属晶粒的尺度效应会对材料宏观力学性能产生重要影响,得到了纳米晶Ni晶间微裂纹的萌生和扩展很大程度上依赖于晶粒几何形状和晶粒材料特性分布的结果.吴波等人[32]利用同样的方法,得出了随着纳米孪晶铜晶粒尺寸和孪晶薄层间距的减小,晶内应变梯度效应增强、材料得到强化的结论.3.4 疲劳裂纹增长内聚力模型已成功地模拟了很多材料的单调断裂问题.对于疲劳裂纹而言,由于载荷的施加与卸载,致使裂纹尖端应力重新分布,疲劳裂纹扩展产生阻滞现象.因此,在循环载荷下,适合疲劳裂纹扩展的内聚力模型的开发成为解决此类问题的关键.YANG B 等人[33]在模拟材料的疲劳裂纹扩展时,提出了一种内聚力模型,该模型模拟准脆性材料在任意载荷下的疲劳裂纹的萌生和扩展比经典断裂力学更具优势和灵活性.BOUVARD J L等人[34]在研究单晶高温合金疲劳裂纹扩展时,提出了一种基于损伤演化的内聚力模型,该模型为不可逆转的内聚力模型,不仅能够解决带预置裂纹纯疲劳裂纹、高温下蠕变疲劳的萌生和扩展,还可以应用于复杂载荷下及几何形状复杂试样的裂纹扩展.(1) 相对于传统断裂力学,内聚力模型在模拟裂纹前缘、裂纹萌生过程中塑性区的演化过程有很大的优势;(2) 内聚力模型与有限元算法的结合推动了内聚力模型的发展,为材料塑形断裂的研究提供了强有力的手段;(3) 内聚力模型可用于研究裂纹尖端塑性变形、静力和疲劳载荷条件下的蠕变开裂,以及金属、岩土材料及混凝土、复合材料及纳米晶等多种材料的裂纹萌生与裂纹扩展.【相关文献】[1]GIRIFFITH A A.The phenomena of rupture and flow in solids[J].Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences,1921,221(583-593):163-198.[2]王自强,陈少华.高等断裂力学[M].北京:科学出版社,2009:6-9.[3]IRWIN G R.Fracture dynamics in fracture ofmetals[Z].Cleveland,Am.Soc.Metals,1948:147-166.[4]OROWAN E.Fracture and strength of solids[J].Reports on Progress inPhysics,1948(12):185.[5]IRWIN G R.Analysis of stress and strains near the end of a crack transversing aplate[J].Applied Mechanics,1957(24):361-364.[6]PARIS P C,GOMEZ M P.A rational analytic theory of fatigue[J].The Trend in Engineering,1961(13):9-14.[7]RICE J R.A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J].Journal of Applied Mechanics,1968,35(2):379-386.[8]吴艳青,张克实.利用内聚力模型(CZM)模拟弹粘塑性多晶体的裂纹扩展[J].应用数学和力学,2006,27(4):454-462.[9]DUGDALE D S.Yielding of steel sheets containing slits[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1960,8(2): 100-108.[10]BARENBLATT G I.The mathematical theory of equilibrium cracks in brittlefracture[J].Advances in Applied Mechanics,1962(7): 55-125.[11]HILLERBORG A,MODEER M,PETERSSON P E.Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements[J].Cement and Concrete Research,1976(6): 773-782.[12]NEEDLEMAN A.An analysis of tensile decohesion along an interface[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1990,38(3): 289-324.[13]KOLHE R,TANG S,HUI C Y,et al.Cohesive properties of nickel-alumina interfaces determined via simulations of ductile bridging experiments[J].International Journal of Solids and Structures,1999,36(36):5 573-5 595.[14]TVERGAARD V.Effect of fibre debonding in a whisker-reinforced metal[J].Materials Science and Engineering: A,1990,125(2):203-213.[15]TVERGAARD V,HUTCHINSON J W.The influence of plasticity on mixed mode interface toughness[J].Mechanics and Physics of Solids,1993,41(6): 1 119-1 135.[16]GEUBELLE P H,BAYLOR J S.Impact-induced delamination of composites:a 2D simulation[J].Composites Part B: Engineering,1998,29(5): 589-602.[17]NEEDLEMAN A.A continuum model for void nucleation by inclusiondebonding[J].Journal of Applied Mechanics,1987,54(3):525-531.[18]何文涛.离散内聚力模型及其应用[D].武汉:华中科技大学,2013.[19]XIE D,SALVI A G,SUN C,et al.Discrete cohesive zone model to simulate static fracture in 2D triaxially braided carbon fiber composite[J].Journal of CompositeMaterials,2006,40(22):2 025-2 046.[20]XIE D,WAAS A M.Discrete cohesive zone model for mixed-mode fracture using finite element analysis[J].Engineering Fracture Mechanics,2006,73(13):1 783-1 796.[21]CAMANHO P P,DAVILA C G,DE MOURA M F.Numerical simulation of mixed-mode progressive crack in composite materials[J].Journal of Composite Materials,2003,37(16):1 415-1 438.[22]KEER L M.Stress distribution at the edge of an equilibrium crack[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1964,12(3): 149-163.[23]CRIBB J L,TOMKINS B.On the nature of the stress at the tip of a perfectly brittle crack[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1967,15(2):135-140.[24]SMITH E.A generalization of elliott’s model of a crack tip[J].International Journal of Fracture,1975,11(2):295-299.[25]HILLERBORG A,MODEER M,PETERSSON P E.Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements[J].Cement andConcrete Research,1976,6(6): 773-781.[26]WEIBULL W.A statistical theory of the strength ofmaterials[M].Stockholm,Sweden:Generalstabens Litografiska Anstalts Förlag,1939:151-155.[27]CARPINTERI A.Fractal nature of material microstructure and size effects on apparent mechanical properties[J].Mechanics of Materials,1994,18(2):89-101.[28]BAZANT Z P,CHEN E P,Scaling of structural failure[J].Applied MechanicsReview,1997,50(10): 593-627.[29]TIJSSENS M G A,VAN DER GRESSEN E,SLUYS L J.Modeling of crazing using a cohesive surface methodology[J].Mechanics of Materials,2000,32(1):19-35.[30]HUANG Y,QU S,HWANGK C,et al.A conventional theory of mechanism based strain gradient plasticity [J].International Journal of Plasticity,2004(20):753-782.[31]吴波,魏悦广,谭建松,等.纳米晶Ni晶间断裂的数值模拟[J].金属学报,2009(9):1 077-1 082.[32]吴波,魏悦广.纳米孪晶铜力学性能和尺度效应的研究[J].金属学报,2007(12):1 245-1 250.[33]YANG B,MALL S,RAVI-CHANDAR K.A cohesive zone model for fatigue crack growth in quasibrittle materials[J].International Journal of Solids and Structures,2001,38(22):3 927-3 944.[34]BOUVARD J L,CHABOCHE J L,FEYEL F.A cohesive zone model for fatigue and creep-fatigue crack growth in single crystal superalloys[J].International Journal ofFatigue,2009,31(5):868-879.。
短裂纹扩展规律及分析方法整理
一、材料疲劳裂纹扩展研究现状许多领域对于材料的疲劳性能有着特殊的要求，以航空、船舶及发动机材料为例，高温抗疲劳性能是关系到可靠性和寿命的一项非常重要的性能指标。
工程实践及理论研究表明，疲劳是导致材料、构件失效的重要因素之一。
据统计，机械零件破坏的50% ～90%为疲劳破坏，而材料约90% 的疲劳损伤寿命都是消耗在裂纹萌生及扩展阶段，因此建立一种既能应用于损伤容限分析，也能应用于耐久性分析的疲劳全寿命预测方法，必须了解其在短裂纹阶段的行为。
二、短裂纹的定义短裂纹的定义有两种其一，从力学角度，将不满足线弹性断裂力学( linear elasticfracture mechanics LEFM) 有效性条件的裂纹统称为短裂纹;其二，从物理学角度，短裂纹是指裂纹长度不超过应力、应变场范围，或者说与塑性区同一数量级的裂纹。
疲劳短裂纹行为具体地可划分为尺度与微观结构特征相当的微观组织短裂纹( microstructure shortcrack，MSC) 行为和脱离微观结构束缚的物理短裂纹( physical short crack，PSC) 行为。
主要涉及短裂纹萌生与扩展机理、寿命预测和短裂纹行为模拟三方面内容。
三、短裂纹萌生机理关于短裂纹的形成有三种解释：第一种解释认为，在疲劳过程中由于材料微观结构的非均匀性，会引起材料力学性能的持续硬化现象，对于微观屈服强度低的晶粒，其循环硬化速率高且饱和值大; 而对于微观屈服强度高的晶粒，其循环硬化速率低、饱和值小。
当某一或某些表面晶粒由于循环硬化而使塑性耗尽时，该晶粒开裂而产生短裂纹。
第二种观点认为，疲劳过程首先由滑移开始。
金相观察发现，在一定循环载荷下，滑移带在较大铁素体晶粒内出现，且载荷越大，有滑移带形成的铁素体晶粒越多，同时个别滑移带逐渐加深或变宽，之后在缺口正表面形成一条或几条在高放大倍数显微镜下看到的细小疲劳裂纹。
第三种说法是，疲劳损伤起因于沿晶短裂纹，高温可以促进晶界滑动，晶界滑移聚集又会促进晶界孔洞的集结和局部扩散的发生，而局部扩散又会促进孔洞成长，因此高温下易于形成沿晶裂纹。
断裂力学裂纹扩展
断裂力学裂纹扩展做裂纹扩展仿真确实比较难，目前一般都是以弹性断裂力学为基础，二维裂纹扩展容易一些，三维裂纹比较复杂，如果仅是要获得扩展寿命，裂纹长度，可以自己编程做，我是这样做的。
如果要想获得不同裂纹前沿的应力应变场和K，模拟结构裂纹随载荷的动态真实变化，可能要借助软件：（1) Beasy，边界元软件，将三维问题解化为二维问题，比较方便。
（2) Fatigue软件，也还可以，但对复杂结构很难胜任。
（3) FE-fatigue 也不错（4) FRANC3D。
至于计算，常用的方法有：（1）Prescribed Method特点：裂纹只能沿单元边界扩展。
（2）Analytical Geometry Method特点：将几何和载荷、约束分解为简单的解析形式。
（3）Known Solution Method特点：查表求已知解。
两个重要软件：NASGRO and AFGROW（4）Meshfree method美国西北大学做的最好。
优点是不需重新划分网格。
（5）Adaptive BEM/FEM自适应网格边界元/有限元，用的较广。
（6）Lattice method格子方法（7）Atomic method一般使用分子动力学方法。
（8）Constitutive method在本构方程里引入破坏准则，无需预先引入裂纹。
如本人上篇帖子。
（9）Cohesive element使用cohesive element。
断裂学科研究的新趋向第十届国际断裂大会（ICF10）的情况介绍四年一届的国际断裂大会(Int. Conference of Frature, ICF-10)于2001年12月3日～12月6日在美国夏威夷召开。
与会的有来自44个国家的代表约610人。
中国参加会议的代表并有论文在论文集上发表的计34人（含中国香港10人），其中部分代表因故未能到会。
此次会议的举办是成功的，现将会议的简要情况与参加会议的体会及有关建议分别作简单汇报于下。
基于abaqus的裂缝扩展过程
基于Abaqus的裂缝扩展过程引言裂缝扩展是材料破坏过程中的重要现象之一，对于材料强度和耐久性的评估具有重要意义。
Abaqus是一种常用的计算机辅助工程（CAE）软件，在材料力学领域有广泛的应用。
本文将介绍如何利用Abaqus来模拟和分析裂缝扩展过程。
背景知识在开始介绍基于Abaqus的裂缝扩展过程之前，我们先了解一些相关的背景知识。
裂缝扩展裂缝扩展是材料破坏中的一个重要过程。
当裂纹的长度增长时，材料的强度和韧性会逐渐减小，从而导致材料的破坏。
裂纹扩展可以分为静态和疲劳两种类型。
静态裂纹扩展指的是裂纹在应力作用下逐渐扩展，而疲劳裂纹扩展指的是裂纹在循环加载下逐渐扩展。
AbaqusAbaqus是一种常用的有限元分析软件，可以用于模拟和分析材料力学和结构力学问题。
它提供了丰富的建模和分析工具，能够对复杂的力学系统进行准确的数值模拟和分析。
在材料力学领域，Abaqus被广泛用于研究材料的力学性能和变形行为。
模拟裂缝扩展过程的步骤步骤1：建立几何模型在模拟裂缝扩展过程之前，首先需要建立几何模型。
可以通过Abaqus提供的几何建模工具来创建几何模型，或者导入现有的CAD模型。
在建立几何模型时，需要注意将裂纹的几何形状和位置准确地反映在模型中。
步骤2：定义材料属性在进行裂纹扩展模拟之前，需要定义材料的力学性质。
可以通过Abaqus提供的材料数据库来选择合适的材料模型，并设置材料的弹性模量、泊松比、屈服强度等参数。
此外，还可以考虑将材料的损伤和断裂行为纳入模拟中，以更加真实地描述裂纹扩展过程。
步骤3：划分网格将几何模型划分为有限元网格是进行数值模拟的关键步骤。
网格的划分需要根据材料的几何形状和裂纹的位置进行调整，使得在裂纹周围有足够的节点密度，以捕捉裂纹扩展过程中的细节。
步骤4：应用边界条件在模拟裂纹扩展过程时，需要定义边界条件以模拟实际加载条件。
根据实际情况，可以设置裂纹面上的固定位移或施加加载。
此外，还需要定义时间步长和加载速率等参数，以控制模拟的过程和求解的精度。
裂隙岩体渗流应力耦合状态下裂纹扩展机制及其模型研究
裂隙岩体渗流应力耦合状态下裂纹扩展机制及其模型研究裂隙岩体渗流应力耦合状态下裂纹扩展机制及其模型研究摘要：裂隙岩体是地质工程中常见的岩石结构，其中的裂隙对岩体的渗流和强度有着显著影响。
本文通过对裂隙岩体中的裂纹扩展机制进行研究，探讨其与渗流应力耦合状态的关系，并建立了相应的模型进行分析。
研究结果表明，在渗流应力耦合状态下的裂隙岩体中，裂纹主要以剪切破坏为主，其扩展路径与渗流应力的分布有密切关系。
1. 引言裂隙岩体是由于地质构造运动等原因产生的岩体裂纹结构。
裂隙对岩体的渗流性质具有重要影响，因此了解裂纹扩展机制对于地质工程中的岩体稳定性分析具有重要意义。
本研究旨在通过实地观测和数值模拟，揭示裂隙岩体中裂纹的扩展机制，并构建相应的模型进行分析。
2. 实地观测与数据处理选取裂隙岩体地质工程实例，进行实地观测。
通过对观测数据的处理，得到裂纹的分布情况和扩展特征。
结果显示，裂隙岩体中的裂纹主要以剪切破坏为主，呈现出弯曲、延伸和分叉的特点。
3. 渗流应力耦合状态下裂纹扩展机制在裂隙岩体中，存在着渗流和应力的耦合作用。
渗流与应力之间的相互作用决定了裂纹的扩展机制。
通过数值模拟，将渗流应力耦合状态下的裂隙岩体分为四个阶段：渗流开始、渗流应力协调、渗流应力破坏和渗流静止。
在不同阶段，裂纹扩展的机制具有差异。
4. 裂纹扩展机制模型根据裂纹扩展机制的特点，本文建立了裂纹扩展机制模型。
模型考虑了渗流应力的分布，并考虑了裂隙岩体中不同阶段的特点。
模型可以预测裂纹的扩展路径和扩展速率，为地质工程中的岩体稳定性分析提供了重要工具。
5. 结论本文通过实地观测和数值模拟，研究了裂隙岩体渗流应力耦合状态下的裂纹扩展机制，并建立了相应的模型进行分析。
研究结果表明，在渗流应力耦合状态下的裂隙岩体中，裂纹主要以剪切破坏为主。
裂纹的扩展机制与渗流应力的分布密切相关。
本研究为地质工程中的岩体稳定性分析提供了重要依据和参考。
关键词：裂隙岩体；渗流应力耦合；裂纹扩展；机制模本研究通过实地观测和数值模拟，深入探讨了裂隙岩体渗流应力耦合状态下的裂纹扩展机制。
裂纹扩展的扩展有限元(xfem)模拟实例详解
基于ABAQUS 扩展有限元的裂纹模拟化工过程机械622080706010 李建1 引言1.1 ABAQUS 断裂力学问题模拟方法在abaqus中求解断裂问题有两种方法（途径）：一种是基于经典断裂力学的模型；一种是基于损伤力学的模型。
断裂力学模型就是基于线弹性断裂力学及其基础上发展的弹塑性断裂力学等。
如果不考虑裂纹的扩展，abaqus可采用seam型裂纹来分析(也可以不建seam，如notch型裂纹)，这就是基于断裂力学的方法。
这种方法可以计算裂纹的应力强度因子，J积分及T-应力等。
损伤力学模型是指基于损伤力学发展而来的方法，单元在达到失效的条件后，刚度不断折减，并可能达到完全失效，最后形成断裂带。
这两个模型是为解决不同的问题而提出来的，当然他们所处理的问题也有交叉的地方。
1.2 ABAQUS 裂纹扩展数值模拟方法考虑模拟裂纹扩展，目前abaqus有两种技术：一种是基于debond的技术（包括VCCT）；一种是基于cohesive技术。
debond即节点松绑，或者称为节点释放，当满足一定得释放条件后（COD 等，目前abaqus提供了5种断裂准则），节点释放即裂纹扩展，采用这种方法时也可以计算出围线积分。
cohesive有人把它译为粘聚区模型，或带屈曲模型，多用于模拟film、裂纹扩展及复合材料层间开裂等。
cohesive模型属于损伤力学模型，最先由Barenblatt 引入，使用拉伸-张开法则（traction-separation law）来模拟原子晶格的减聚力。
这样就避免了裂纹尖端的奇异性。
Cohesive 模型与有限元方法结合首先被用于混凝土计算和模拟，后来也被引入金属及复合材料。
Cohesive界面单元要服从cohesive 分离法则，法则范围可包括粘塑性、粘弹性、破裂、纤维断裂、动力学失效及循环载荷失效等行为。
此外，从abaqus6.9版本开始还引入了扩展有限元法（XFEM），它既可以模拟静态裂纹，计算应力强度因子和J积分等参量，也可以模拟裂纹的开裂过程。
abaqus裂纹设置
裂纹应用：将裂纹 应用于模型中的特 定区域或边界
裂纹激活：在模拟 过程中激活裂纹并 进行相应的计算和 分析
abaqus裂纹分析 结果解读
裂纹应力分布
裂纹扩展应力：分析裂纹扩 展过程中的应力变化
裂纹尖端应力：描述裂纹尖 端附近的应力集中情况
应力强度因子：计算裂纹尖 端的应力强度因子，评估裂
纹扩展的驱动力
裂纹模型选择
裂纹模型分类： 线性和非线性
裂纹扩展准则： 应力强度因子、 能量释放率等
裂纹闭合准则： 闭合准则的选择 对计算精度和计 算效率的影响
裂纹扩展方向： 裂纹扩展方向对 计算结果的影响
abaqus裂纹设置 步骤来自 创建裂纹打开abaqus软件，进入模型模块 在模型树中选择需要创建裂纹的部件 在工具栏中选择“创建裂纹”按钮 在弹出的对话框中设置裂纹参数，如裂纹类型、位置、大小等 点击“确定”按钮，完成裂纹的创建
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abaqus裂纹设置
汇报人：
目录
裂纹类型和模型
01
abaqus裂纹设置步骤
02
abaqus裂纹分析结果 解读
03
裂纹类型和模型
裂纹类型介绍
裂纹类型：I型裂纹、II型裂纹、III型裂纹 裂纹模型：线弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型 裂纹扩展准则：最大周向应力准则、应力强度因子准则 裂纹扩展路径：沿晶界扩展、穿晶扩展
应力分布特征：分析裂纹在 不同材料、不同加载条件下
的应力分布特点
裂纹扩展路径
裂纹起始位置 裂纹扩展方向 裂纹扩展长度 裂纹扩展速率
裂纹扩展速度
定义：裂纹扩展 速度是指裂纹在 材料中扩展的速 度
影响因素：材料 性能、裂纹类型、 应力状态等
高等数学a1 裂纹
高等数学a1 裂纹
高等数学A1中的裂纹问题通常指的是材料力学中的裂纹扩展问题，或者是数学物理方法中用于描述波动、波动方程和波动传播的“裂纹”模型。
对于材料力学中的裂纹扩展问题，高等数学A1主要涉及裂纹的应力强度因子和能量释放率等概念，以及裂纹在不同受力条件下（如拉伸、弯曲、剪切等）的扩展行为。
这些问题通常需要应用弹性力学和断裂力学的基本原理，并结合数值计算方法进行求解。
在数学物理方法中，裂纹模型通常用于描述波动现象，例如声波、地震波或电磁波在含有裂纹的介质中传播的情况。
这类问题可以通过求解波动方程（如Helmholtz方程或Wave equation）得到裂纹附近场的分布和传播规律。
无论哪种情况，解决裂纹问题都需要一定的数学和物理知识储备，以及对相关数学模型和计算方法的掌握。
在高等数学A1的学习中，学生应通过练习和案例分析来加深对裂纹问题的理解，并提高运用数学工具解决实际问题的能力。
基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究
基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究一、引言裂纹扩展是材料疲劳破坏的重要表现形式之一，对于材料的寿命预测和安全性评估具有重要意义。
基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究，能够更加全面地理解裂纹扩展的过程和规律，为材料的设计和选择提供科学依据。
二、微观和细观原位疲劳试验的意义1.微观和细观原位疲劳试验的概念和方法微观和细观原位疲劳试验是通过对材料微观组织、晶粒结构和裂纹扩展过程的实时观测和记录，来揭示材料疲劳破坏的细节和规律。
这种试验方法可以直接观察和分析裂纹扩展路径、应力场分布等细节，为裂纹扩展机理的研究提供了重要的数据支持和直观的观测手段。
2.微观和细观原位疲劳试验的意义通过微观和细观原位疲劳试验，可以深入了解材料在疲劳载荷下内部组织的变化和裂纹扩展行为，揭示出裂纹扩展机理的微观本质。
还可以为材料的寿命预测和性能设计提供可靠的依据，对提高材料的抗疲劳性能具有重要意义。
三、裂纹扩展机理的研究进展1.基于微观和细观原位疲劳试验的研究方法目前，基于微观和细观原位疲劳试验的研究方法主要包括电镜技术、同步辐射技术、原位拉伸试验等多种手段，能够在微观和细观尺度上实现裂纹扩展过程的直接观测和记录，为裂纹扩展机理的研究提供了强有力的工具支持。
2.裂纹扩展机理的理论模型基于微观和细观原位疲劳试验的研究成果，对裂纹扩展机理提出了多种理论模型，包括晶粒界对裂纹扩展的影响、位错与裂纹扩展的相互作用等，为解释实验现象和预测裂纹扩展行为提供了理论基础。
四、裂纹扩展机理研究的重要意义1.为材料寿命预测提供可靠依据基于微观和细观原位疲劳试验的裂纹扩展机理研究，能够为材料寿命预测提供更加可靠的依据，使人们能够更加准确地评估材料在实际工程中的使用寿命。
2.促进新材料的设计与研发对裂纹扩展机理的深入研究，能够为新材料的设计与研发提供重要的指导意见，有助于提高材料的抗疲劳性能和安全性能。
机械零件的疲劳裂纹扩展与寿命预测
机械零件的疲劳裂纹扩展与寿命预测机械零件的疲劳裂纹扩展与寿命预测是材料科学和工程领域中的一项重要研究内容。
机械零件在运行过程中，由于受到载荷作用和材料本身的缺陷等原因，容易产生疲劳裂纹。
疲劳裂纹的扩展会导致零件的强度逐渐下降，最终导致零件的失效。
因此，了解疲劳裂纹的扩展规律以及预测零件的寿命对于确保机械设备的可靠性和安全性至关重要。
疲劳裂纹扩展是指在连续循环加载下，起初微小的裂纹随着时间的推移逐渐扩展。
疲劳裂纹扩展的速率与裂纹长度、应力幅、材料性能等因素密切相关。
通过对这些因素的研究，科学家们发现了裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子之间的关系。
应力强度因子是描述裂纹尖端应力集中程度的物理量，研究其变化规律对理解和预测裂纹扩展至关重要。
为了预测机械零件的寿命，研究者们发展了一系列的疲劳寿命预测模型。
其中最为常用的是基于裂纹扩展速率的模型。
该模型通过测定材料的疲劳裂纹扩展速率，结合裂纹的初始长度，预测零件的寿命。
这种寿命预测模型在实际工程中应用广泛且经验丰富。
除了裂纹扩展速率模型外，还有一些更为精确和复杂的寿命预测方法正在逐渐发展。
例如，基于有限元分析的寿命预测方法能够更加准确地模拟裂纹扩展过程，并预测零件的寿命。
这种方法考虑了零件在运行过程中的应力分布、应力集中情况等因素，能够更好地揭示裂纹扩展的机理。
然而，这种方法需要大量的计算资源和时间，适用范围相对较窄。
疲劳裂纹扩展与寿命预测的研究具有重要的实际应用价值。
通过理解裂纹扩展的机理和规律，工程师们可以设计更加可靠和寿命长久的机械零件。
对于一些关键部件，如飞机发动机叶片和汽车发动机曲轴等，预测其寿命至关重要，以保障设备的安全和稳定运行。
除了工程应用外，对于材料科学和力学领域的研究人员而言，疲劳裂纹扩展与寿命预测是提高材料性能和开发新型材料的重要途径之一。
通过深入研究疲劳裂纹扩展机理，科学家们可以设计出更好的材料，改善机械零件的使用寿命和可靠性。
此外，对材料的疲劳行为进行预测也有利于降低工程成本和能源消耗，从而实现可持续发展的目标。
裂纹顶端钝化锐化模型分析
The End,Thank You!
e-压应力达到最大值时，裂纹完全闭 合，应力回到0时又达到一个新的a状 态。
2.裂纹顶端钝化锐化模型
每循环加载一次，裂纹向前扩展一段距 离，这就是裂纹的扩展速率da/dN，同时在 断口上留下疲劳带，在拉压循环下钝化锐化， 这男,有关疲劳裂纹扩展的最近研究.
第Ⅱ阶段：当微裂纹扩展到一个或两三个 晶粒的深度以后，裂纹的扩展方向开始由与外 加应力成接近45°角的方向逐渐转向与拉伸应 力相垂直的方向。这种拉伸型式的裂纹扩展称 为第Ⅱ阶段裂纹扩展，它不再有结晶学特性。
1.疲劳裂纹扩展的方式
从第Ⅰ阶段向第Ⅱ阶段的转变，一般认为 是内部晶粒难于滑移造成的。当裂纹端部由约 束少的表面晶粒进入金属内部时，因内部晶粒 各向都受约束，滑移受到强烈抑制，从而使裂 纹由开始的剪切扩展方式转变为拉伸扩展方式。 由第Ⅰ阶段向第Ⅱ阶段转变的裂纹长度，决定 于材料和应力幅，一般不超过十分之几个毫米。
裂纹顶端钝化锐化模型分析
1.疲劳裂纹扩展的方式
疲劳裂纹扩展可分为第Ⅰ阶段裂纹扩展和 第Ⅱ阶段裂纹扩展两个阶段。
第Ⅰ阶段：裂纹在滑移带上萌生以后，首 先沿着切应力最大的活性面扩展，具有一定的 结晶学特性。在单轴应力下，即沿着与外加应 力成接近45°角的滑移面扩展，这种切变型式 的裂纹扩展称为第Ⅰ阶段裂纹扩展。
2.裂纹顶端钝化锐化模型
由于第Ⅱ阶段裂纹扩展的速率和辉纹间距都比第Ⅰ阶段大 得多，因此对第Ⅱ阶段的扩展机制进行了较多的研究，有较多 的了解。Laird C.(莱尔德)通过对延性金属裂纹尖几何形状变 化的直接观察，提出了描述第Ⅱ阶段裂纹扩展过程的“裂纹顶 端钝化锐化模型”。