基于ABAQUS平台的扩展有限元方法
abaqus中xfem扩展有限元教程
abaqus 中xfem扩展有限元教程part模块中的操作:1.生成一个新的part，取名为plate，本part 选取3D deformable solid extrusion 类型（如图1）2.通过Rectangle 工具画出一长3，高6的矩形。
考虑使用工具栏add-dimension 和edit dimension 来画出精确长度的模型。
强烈建议此矩形的左上角坐标为（0, 3），右下角坐标为（3，-3）（如图2）3D '、2D Planw I ' AxisymmetricTyre Options” Di scr^te ri gi >1f'■ Analytical ri<id0 Euler i anBaseShapeSolidC? Shello灿电0 FeintApproKimat色size： 20Cancel3.完成后拉伸此矩形，深度为 1.（如图3）4.生成一个新的 part ，取名为 crack ，本 part 选取 3D deformable shell extrusion 类型(如图4) 叩刊网扌 rr Ack M ud-el L iLg. Spa-j-e(*) 3D { ' 29 Pl war ( ) Ajci symmetri c Typ« @ H 栏 £oir.ahle： :；Di 5«r «tc ari gi dCj An>lytic41 rigid ■.. j Euler i an Opti QKS None available Q hl 迥⑥*1】■：.\ Wire (.PoiittBase FeatureTypePlanar Ez trusi on Rezolution SwsepXppr^MiTatt =it eCine el5.生成一条线，此线的左端点坐标为( 0, 0.08 ),右端点坐标为(1.5 , 0.08 )6 .完成后拉伸此线，深度为 1.（如图6）7.保存此模型为XFEMtutor （如图7 ）,以后经常保存模型，不再累述。
ABAQUS平台的扩展有限元方法模拟裂纹实现
ABAQUS平台的扩展有限元方法模拟裂纹实现1.1 扩展有限元方法（XFEM）在ABAQUS上的实现ABAQUS中XFEM的实现，两个步骤最为关键：1、选择模型中可能出现的裂纹区域，将其单元设为具有扩展有限元性质的enrichment element.2、其次重要的是选择恰当的破坏准则，使单元在达到给定的条件破坏，裂纹扩展。
在ABAQUS中模拟裂纹扩展的操作中，需要注意的是：1、在Property模块，添加损伤演化参数、破坏法则、损伤稳定性参数2、在Interaction模块，主菜单Special中创建XFEM的enrichment element对于固定的裂纹模型，采用ABAQUS/STANDARD中使用奇异渐进函数。
针对移动的裂纹问题，在XFEM中，有一种方法基于traction-separation cohesive behavior，即使用虚拟节点连续片段法进行移动裂纹建模，ABAQUS/STANDAR D 中用于计算脆性或韧性材料的裂纹初始化和扩展过程的模拟。
另外一种cohesive segments method (粘性片段方法)可用于bulk material中的任意路径的裂纹初始化模拟扩展过程，由于裂纹扩展不依赖于单元边界，在XFEM中，裂纹每扩展一次需要通过一个完整单元，避免尖端应力奇异性。
除此之外，ABAQUS为拥护提供了自定义子程序，来满足不同建模的需要。
ABAQUS/STANDARD中的任意力学本构模型均可用来模拟扩展裂纹的力学特性。
由于XFEM采用的形函数在求解过程中，很容易造成逼近线性相关，极大的增加了收敛难度，到目前为止，能够实现扩展有限元的商业软件只有ABAQUS，但是ABAQUS为了减少求解难度，做了大量简化，因此用ABAQUS 扩展有限元模拟裂纹扩展时，有一些局限[16]：1.扩展单元内不能同时存在两条裂纹，所以ABAQUS不能模拟分叉裂纹；2.在裂纹扩展分析过程中，每一个增量步的裂纹转角不允许超过90度；3.自适应的网格是不被支持的；4.固定裂纹中，只有各向同性材料的裂纹尖端渐进场才被考虑。
ABAQUS中扩展有限元(XFEM)功能简介
ABAQUS中扩展有限元（XFEM）功能简介扩展有限元（Extended Finite Element Method）是一种解决断裂力学问题的新的有限元方法，其理论最早于1999年，由美国西北大学的教授Belyschko和Black首次提出，主要是采用独立于网格剖分的思想解决有限元中的裂纹扩展问题，在保留传统有限元所有优点的同时，并不需要对结构内部存在的裂纹等缺陷进行网格划分。
ABAQUS基于在非线性方面的突出优势，在其6.9的版本中开始加入了扩展有限元功能，到6.13做了一些修正，加入了一些可以被CAE支持的关键字。
目前为止，除了手动编程，能够实现扩展有限元常用的商业软件只有ABAQUS，今天，我们就来谈谈ABAQUS 中如何实现扩展有限元。
1. XFEM理论在XFEM理论出现之前，所有对裂纹的静态模拟（断裂）都基本上是采用预留裂缝缺角，通过细化网格仿真裂缝的轮廓。
而动态的模拟（损伤）基本上都是基于统计原理的Paris 方法。
然而，断裂和损伤的结合问题却一直没有得到有效的解决，究其原因，在于断裂力学认可裂纹尖端的应力奇异现象（就是在靠近裂尖的区域应力值会变无穷大），并且尽可能的绕开这个区域。
而损伤力学又没有办法回避这个问题（裂纹都是从尖端开裂的）。
从理论上讲，其实单元内部的位移函数（形函数）可以是任意形状的，但大多数的计算软件都采用了多项式或者插值多项式作为手段来描述单元内部的位移场，这是因为采用这种方法更加便于在编程中进行处理。
但是这种方法的缺点就是，由于形函数的连续性，导致单元内部不可能存在间断。
直到Belytschko提出采用水平集函数作为手段，其基本形式为和上面左边的等式描述了单元内裂缝的位置，右边的等式描述了裂尖的位置。
与之对应的形函数便是和其中H(x)是阶跃函数。
想要了解更深的内容，大家可以参考《Extended Finite Element Method》和庄老师的《扩展有限单元法》这种扩充形函数能够描述单元内位移场在裂缝两边的跳跃性，同时，由于裂缝存在于单元内部，其扩展独立与其他单元，使得计算变得高效。
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。
基于ABAQUS平台的扩展有限元法_方修君
Abstract:
A virtual node method for coupling the eXtended Finite Element Method (XFEM) with commercial
finite element software ABAQUS is presented. The relationship between the subdomain integration and the Heaviside function is formulated, and a subtriangle integration algorithm is improved. The brittle fracture process of a 3-point bending beam was simulated. The computational results demonstrate the capacity of the presented method to simulate the moving discontinuities. Crack path is not necessary to coincide with element boundaries in XFEM and re-meshing can be avoided. The coupling with commercial finite element software proposes an efficient way for solving practical complex problem using XFEM. Key words: partition of unity; extended finite element method; virtual node; fracture process; moving discontinuities 传统的有限元方法模拟混凝土开裂过程通常 基于两大类模型：分离裂纹模型 和弥散裂纹模 型[2]。对于模拟裂纹扩展过程的这类移动非连续问 题的模拟，使用分离裂纹模型需要对裂纹扩展路径 有良好地预测，否则需要不断调整有限元网格来适 应演化的非连续界面。弥散裂纹模型模拟移动非连 续问题不需要进行网格调整，但如何避免由于其近 似位移场中非连续位移模式的缺失而导致的应力
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。
基于ABAQUS的VUEL扩展有限元法模拟水力压裂_王涛
基于ABAQUS的VUEL扩展有限元法模拟水力压裂王涛1柳占立庄茁（清华大学航天航空学院， 100084）摘要 本文基于abaqus的显式子程序vuel，采用扩展有限元方法，实现了对于水力压裂过程的模拟。
通过在常规的C3D8单元中引入扩充的自由度，实现了在单元内引入不连续的位移场，来达到模拟水力压裂裂纹的目的，而无需像传统的重分网格法那样在裂纹的扩展过程中重画网格。
我们在传统扩展有限元法的基础上进行改进，引入虚拟节点，从而可以在显式方法中简化处理基于单元的裂纹。
由于采用了虚拟节点法，可以在扩充的8节点六面体单元中使用一点积分和沙漏控制，极大地提高了程序的运行效率。
关键词：扩展有限元法，VUEL，水力压裂, 虚拟节点法一、 简介水力压裂自上世纪五六十年代就被提出并加以应用了，然而，由于技术上和设备上的缺陷，水力压裂技术一直处于缓慢的发展阶段，无法给工业上带来有效的经济效益，因而不能在商业模式下采用。
直到近几年水力压裂技术以及其他一些方面的技术上的突破，才使得水力压裂技术被广泛采用了。
由于水力压裂技术在工程中的重要应用，以及计算机数值模拟技术的迅猛发展，水力压裂技术的计算机模拟成为了一个研究水力压裂过程的主要的和非常有效的手段。
近年来，人们对水力压裂过程进行了大量的数值模拟，很好地指导了实际工程中的压裂作业，带来了一定的经济效益。
本文首先在ABAQUS中开发了一套建立水力压裂模型的插件，可以快速的生成裂纹网络模型并得到满足ABAQUS的vuel程序要求的inp文件和裂纹信息。
插件界面如图1。
图1 生成复杂裂缝网络的abaqus插件界面采用扩展有限元方法，引入扩充自由度来模拟位移场的不连续性[1]。
并运用虚拟节1报告人简介：1990.2-，计算固体力学，研究生：wangtao3924@点法来重组扩展有限元的基本格式，使得离散方程在空间上的积分可以采用一点积分和沙漏控制。
实现水力压裂的模拟，模拟结果如下：图2、压裂过程中裂纹的扩展云图二、 结论本文采用扩展有限元方法在ABAQUS中实现了水力压裂裂缝扩展的过程，模拟结果说明了方法的有效性。
XFEM实现裂纹扩展
－－－因为专注，所以卓越！
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。
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基于ABAQUS平台的扩展有限元方法
断裂是一种失效模式。
在工程领域中，经常发生起源于断裂或终结于裂纹扩展的灾难性破坏事故，如压力管道的裂纹失稳扩展，机械构件的断裂，地震引起的地面开裂和房屋倒塌等，这些事故对我们的生命和生活造成了很大的影响。
由于产生裂纹的原因难以量化，因此裂纹出现后是否会继续扩展或发生止裂的断裂力学具有很重要的意义。
传统的断裂力学在剖分单元网格的时候必须考虑物体内部的缺陷，如裂纹，界面等，使单元边界与几何界面一致，这也就会形成局部网格加密，而其余区域稀疏的非均匀网格分布。
ABAQUS中单元的最小尺寸决定了显示计算时间增量的临界步长，过小的最小尺寸无疑会增加计算的成本；再有就是需要预先给定裂纹的扩展路径，裂纹只能沿单元边界扩展，难以形成任意裂纹路径。
扩展有限元方法（XFEM，extended finite element method，以下简称XFEM）的核心思想是用扩充的带有不连续性质的形函数基来代表计算域内的间断，因此在计算过程中，不连续场的描述完全独立于网格边界，这使其在处理断裂问题上具有很大的优势。
XFEM可以充分利用已知解析解答构造形函数基，在较粗网格上即能得到较精确的解答。
利用XFEM，还可以方便地模拟裂纹沿任意路径扩展。
ABAQUS中的XFEM可以用来研究裂纹的产生及模拟沿任意路径的裂纹扩展，而无需对模型进行网格重构。
XFEM可以用于三维实体模型、二维平面模型，不能用于三维的壳模型。
ABAQUS在Interaction模中定义XFEM裂纹，可以指定裂纹的初始位置，也可以不指定，让ABAQUS在分析过程中根据计算断裂区域的最大初始应力或应变确定裂纹的位置。
在ABAQUS中执行XFEM断裂分析，必须指定：断裂区域，裂纹生长（可选），裂纹初始位置（可选），富集半径，接触交互属性，损伤起始准则和分析类型，如静态分析，或隐式动态分析。
下面以一个例子演示ABAQUS中使用XFEM方法对平板中的边缘裂纹进行动态裂纹扩展预测。
1.几何和模型
本文研究的是一个带边缘裂纹的平板，如下图所示，其中L=0.003m，W=0.0015m，初始裂纹长度a=0.0015m，板的下部受到一个沿水平方向的脉冲载荷，载荷作用的速度为：
其中=25m/s，s。
右图为装配完成的模型。
2.材料
富集单元中材料属性的材料数据为：杨氏模量E=3.24GPa，密度=1190kg/m3，泊松比=0.35。
指定模型中富集单元内黏结行为的响应。
使用最大初始应力失效准则作为损伤起始的判据，使用基于能量法断裂准则的损伤演化来模拟裂纹的扩展。
相关的材料数据如下图所示：
3.分析步
创建Dynamic，Implicit分析步，打开几何非线性。
在Field输出里勾选Failure/Fracture>PHILSM，以及State/Field/User/Time>STATUSXFEM，设置后处理中的裂纹显示，否则后处理结果中将不显示裂纹。
4.创建裂纹
进入Interaction界面，选择Special>Crack>Creat来创建裂纹，在弹出的菜单中选择XFEM方式，同时给裂纹命名。
点击Continue，选择断裂区域为整个平板，然后点击中键确认。
接下来选择裂纹，勾选Crack location，手动选择模型中作为裂纹的一条线，中键确认。
点击OK，完成裂纹创建。
5.边界条件
进入Load模块，选择BC，将板的上边缘固定，在板的下部施加沿Y方向的脉冲载荷，载荷数值如1所述。
6.网格
单元类型选择为平面应变单元CPS4，不需要对裂纹划分网格。
7.结果分析
下图所示为t=6.0s时的裂纹轮廓。
可以看到裂纹的扩展独立于网格。