ABAQUS平台的扩展有限元方法模拟裂纹实现
扩展有限元的ABAQUS实现
扩展有限元的ABAQUS实现常规有限元方法（CEFM）和其他数值方法相比，具有一些无法比拟的优点，但仍存在一些缺陷。
比如在解决类似裂纹这样的强不连续问题，由于裂纹尖端处的应力奇异性，导致计算量巨大而且精度不高。
然而扩展有限元方法（extended finite element method，XFEM）的出现，和常规有限元方法相比具有显著的优势，使得我们可以在裂尖和应力、变形集中处划分高密度的网格，也可以方便的模拟裂纹的扩展，使计算量不那么巨大，保留了常规有限元法的所有优点。
因此，扩展有限元得到了快速发展和应用，而且在裂纹的扩展研究中要的意义。
本文开展对扩展有限元方法和裂纹问题的研究，并且基于限元ABAQUS平台，对扩展有限元方法针对裂纹扩展问题进行模拟实现。
关键词：扩展有限元方法，裂纹扩展，ABAQUS第一章绪论1.1 引言21世纪以来，计算机硬件和数值仿真的快速发展以及工业工程实践与科学研究中存在的大量运算需求，世界上涌现出一批大型科研运算及科学模拟软件，能够极大的简化运算问题以及计算机模拟实验，使我们能够更加方便地研究虚拟工程及相关科学问题。
有限元方法的出现为数值分析方法的研究带来了新的曙光，力学学科本来就是连接理工学科的桥梁，计算力学是目前力学发展的一个重要分支。
有限元软件则是我们到达工程科学领域彼岸的非常重要的工具和桥梁之一。
ABAQUS软件是世界上最强大的大型有限元计算分析软件之一，具有不同种类的单元类型、材料类型和不同的分析过程，拥有很好的计算功能和模拟性能。
ABAQUS软件不但可以进行一种部件和复杂物理场的分析，而且可以处理多系统的部件分析；不仅可以分析简单的线弹性问题，还可以处理复杂的非线性组合问题等，相比其它软件具有无可比拟的优势[1,2]。
固体力学中存在的两类不连续问题之一则是因为物体内部几何结构突变引起的强不连续问题，裂纹问题就是这类问题的代表。
由于几何界面处的位移不连续性和裂纹尖端的应力奇异性使得这类问题的处理变得比较复杂。
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。
《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、引言随着科学技术的发展，裂纹扩展成为了工程材料研究中的一项重要问题。
对裂纹扩展的研究对于确保工程结构的安全性、稳定性和可靠性具有重要意义。
近年来，随着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法的仿真软件在裂纹扩展研究领域得到了广泛应用。
其中，ABAQUS作为一款功能强大的有限元分析软件，在裂纹扩展仿真方面具有广泛的应用。
本文将介绍基于ABAQUS 的裂纹扩展仿真软件及其应用。
二、ABAQUS裂纹扩展仿真软件概述ABAQUS是一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于工程材料、机械制造、土木工程等领域。
其裂纹扩展仿真模块，可以模拟材料在受到外力作用下的裂纹扩展过程，为研究裂纹的扩展规律、破坏模式以及强度性能提供有效的工具。
ABAQUS裂纹扩展仿真软件的主要特点包括：1. 高精度：采用先进的有限元算法，可以准确模拟裂纹的扩展过程。
2. 高效率：软件采用并行计算技术，大大提高了计算效率。
3. 适用性广：可以模拟各种材料、各种形状的裂纹扩展过程。
4. 操作简便：软件界面友好，操作简便，用户可以快速上手。
三、ABAQUS裂纹扩展仿真软件的应用ABAQUS裂纹扩展仿真软件在工程领域具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 材料性能研究：通过模拟材料在受到外力作用下的裂纹扩展过程，可以研究材料的强度性能、破坏模式等，为材料的设计和优化提供依据。
2. 结构安全评估：对于已经建成的工程结构，可以通过ABAQUS裂纹扩展仿真软件对其结构安全性进行评估，及时发现潜在的裂纹扩展风险。
3. 疲劳寿命预测：通过模拟材料在循环载荷作用下的裂纹扩展过程，可以预测材料的疲劳寿命，为机械设备的维护和更新提供依据。
4. 地震工程：在地震工程中，ABAQUS裂纹扩展仿真软件可以用于模拟地震作用下建筑结构的裂纹扩展过程，为抗震设计和抗震加固提供依据。
四、实例分析以某桥梁工程为例，采用ABAQUS裂纹扩展仿真软件对桥梁结构进行裂纹扩展仿真分析。
《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。
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。
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疲劳裂纹扩展模拟方法
在Abaqus中进行疲劳裂纹扩展模拟通常需要使用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit这两个分析模块。
ABAQUS提供了丰富的工具和元素来模拟疲劳裂纹扩展，以下是一个基本的步骤：1. 建模：-使用ABAQUS/CAE（图形用户界面）或ABAQUS脚本语言（Python）创建模型。
确保模型包含准确的几何形状和边界条件。
2. 网格划分：-确保模型的网格划分足够细致，特别是在裂纹尖端区域。
使用ABAQUS 提供的适当类型的网格元素，如二维或三维等元素。
3. 材料定义：-定义材料的力学性质和断裂参数。
在疲劳分析中，通常需要使用合适的疲劳材料参数。
4. 加载和约束：-定义加载和约束条件。
对于疲劳裂纹扩展，通常使用周期性的加载。
加载可以是压力、力、位移等。
5. 疲劳裂纹增长：-使用ABAQUS的断裂力学（XFEM）方法来模拟裂纹的扩展。
你可以使用ABAQUS/Standard的XFEM方法来处理裂纹尖端的应力集中。
6. 结果输出：-设置合适的输出请求以获得关于裂纹扩展和结构响应的信息。
这可能包括应力、应变、位移、裂纹长度等。
7. 迭代分析：-如果需要模拟多个加载循环的疲劳裂纹扩展，你可能需要使用ABAQUS/Standard的循环加载功能，或者通过ABAQUS/Explicit进行显式动态疲劳分析。
8. 后处理：-使用ABAQUS/CAE或Python脚本进行后处理，绘制结果图形，分析裂纹扩展速率等。
请注意，这仅仅是一个基本的指南。
实际应用中，还需要考虑更多因素，如裂纹尖端应力场的准确建模、裂纹扩展准则的选择等。
确保在模拟前仔细阅读ABAQUS文档，并根据具体问题和标准进行模拟设置。
《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、引言随着科技的不断进步，工程领域对材料性能的精确模拟和预测提出了更高的要求。
裂纹扩展作为材料失效的重要形式之一，其仿真研究在工程领域具有极高的价值。
ABAQUS是一款广泛应用于工程仿真分析的大型有限元软件，其在裂纹扩展仿真方面具有显著的优势。
本文将介绍基于ABAQUS的裂纹扩展仿真软件的开发及应用，以期为相关领域的研究提供参考。
二、ABAQUS裂纹扩展仿真软件的开发1. 软件开发背景及目标ABAQUS裂纹扩展仿真软件的开发旨在为工程领域提供一种高效、准确的裂纹扩展仿真工具。
该软件可实现对各种材料裂纹扩展过程的精确模拟，为材料性能的预测和优化提供有力支持。
2. 软件架构及功能该软件基于ABAQUS平台进行开发，采用有限元方法对裂纹扩展过程进行模拟。
软件具备以下功能：（1）材料模型：提供多种材料模型，如弹性、塑性、蠕变等，以满足不同材料仿真需求。
（2）网格划分：支持自动网格划分和手动调整，确保仿真结果的准确性。
（3）边界条件：可设置多种边界条件，如位移、力等，以满足仿真需求。
（4）裂纹扩展模拟：采用扩展有限元法（XFEM）对裂纹扩展过程进行模拟，实现高精度、高效率的仿真分析。
（5）后处理：提供丰富的后处理功能，如应力、应变、裂纹扩展路径等结果的查看和输出。
三、ABAQUS裂纹扩展仿真软件的应用1. 航空航天领域在航空航天领域，该软件可对飞机、火箭等航空航天器的结构进行裂纹扩展仿真分析，为结构设计和优化提供有力支持。
同时，该软件还可对航空航天材料进行性能预测和评估，为材料的选择和改进提供依据。
2. 汽车制造领域在汽车制造领域，该软件可对汽车零部件的裂纹扩展过程进行仿真分析，为汽车的结构设计和安全性能评估提供支持。
此外，该软件还可用于汽车新材料的研究和开发，为汽车制造业的创新发展提供技术支持。
3. 土木工程领域在土木工程领域，该软件可对建筑、桥梁、隧道等结构的裂纹扩展过程进行仿真分析，为结构的安全性和耐久性评估提供依据。
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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。
1.2 数值算例
1.2.1中心裂纹平板问题求解
给定一矩形板，长3m ，高6m,在板中心处有一初始直裂纹，并且受到拉伸应力的作用，左右两边施加载荷为1KN ，材料参数为：
在Property 功能模块中，我们采用最大主应力失效准（Maxps Damage ）则作为裂纹损伤开始的判据,损伤演化选取基于能量的、线性软化、混合模式的损伤演化规律，相关参数见上表。
裂纹的扩展过程如下：
图1.1为裂纹第10步的扩展
QUANTITY
NAME
EXPRESSION Young's modulus E
210E9
Poisson's ratio
0.3 Max principle stress S
84.4E6 Fracture energy C G 1 42200 First direction C G 2 42200
Second direction
C G 3
42200
图1.2为裂纹第26步的扩展
图1.3为裂纹第56步扩展
图1.4为裂纹扩展的最终结果
Mises应力分布云图如下：
图1.5为Mises应力分布云图
图1.6为最大最小应力矢量分布云图
图1.7为初始裂纹左端点位移随时间的变化
1.2.2 边缘裂纹实体求解
给定一实体，长6m,高3m,宽1m,在边缘处有一初始直裂纹，前后两面施加载荷为10KN ，给定材料参数为：
同样，我们在Property 功能模块中，我们采用最大主应力失效准（Maxps Damage ）则作为裂纹损伤开始的判据,损伤演化选取基于能量的、线性软化、混合模式的损伤演化规律，相关参数见上表。
计算结果如下：
图1.8为变形后的网格图
QUANTITY
NAME
EXPRESSION Young's modulus E
300E9
Poisson's ratio
0.2 Max principle stress S
84.5E6 Fracture energy C G 1 20580 First direction C G 2 20580
Second direction
C G 3
20580
图1.9为Mises应力分布云图
图1.10为变量的矢量图
图1.11为初始裂纹端点应力随时间的变化
图1.11为初始裂纹端点位移随时间的变化
图1.12为XFEM裂纹图像显示
1.3 本章小结
本章内容介绍了扩展有限元法在ABAQUS上实现的操作的关键步骤，需要注意的地方，也指出了ABAQUS为了实现XFEM的，进行了一些简化而造成了
某些局限。
并且通过两个数值算例直观的反映了裂纹的扩展过程，包括裂纹随时间增量步长的显示分析结果的动画以及Mises应力的分布云图等其他参量的变化图。
实现了本论文的最终目的即扩展有限元的ABAQUS实现。