ABAQUS-2fXFEM在断裂力学分析中的应用
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目13:压力弈器承裁能力仿真
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断裂力学采用小范围塑性应变假设,认为塑性变形发牛在裂纹尖端附近很小的区域内
如图6所示。
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2加帅us/xF凹在断裂力学研究中的应用:
参考文献
化模型网格划分与边界定义,程序中有丰富的材料破坏模型并支持材料m线性,几何}l: 线性,・口以有效的预测存在裂纹结构的承载能力.对复台材料进行基辩断裂与铺层脱层 现象进行仿真。
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XFEM方法位移场内插公式为【5、6】:
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其中:“j:传统形状函数的节点自由度
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F。{x):裂纹尖端渐进函数 b}:节点白由度(裂纹尖端愠化函数)
析、层状复台材料纤维与基体材料裂化、层状复台材料中铺层材辩开裂与不同铺层开胶 厨时发生的情况。使用该方法还町咀:简化韧始裂纹定义;模型网格独立于裂纹几何, 不再像传统有限元法需要在裂纹位置对模型几何进行分割:分析中口r以考虑模型的材料 非线性以及几何非线性:裂纹的萌生与扩展路径可班完全基于横型的计算结果:简化模 型网格细化后的裂纹研究:基于裂纹尖端奇异改进技术,提高裂纹分析的收敛速度,
ABAQUS/XFEM在断裂力学分析中的应用
赵}燧
(达#浙统(上海)信刨如解积公司北京分公司,自瞄岛
IO002S) 摘要断裂女学是目体∞学的一个分支.i重研究I件#抖在载荷作月T鼎‰生成襞&
扩展.直到材料发生断裂.r展有mi女(XFEM)是在侍境有限t☆基础之i发展起来的
一#*!∞裂‰*算i女,&月x盹M}*M化模g建摸.{需要再对裂纹几何进#目#“
为了能有效地对结构断袭进行研究,ABAQUS提供了阿种方法用F模拟断裂力学 问题:第一种订法是基于传统有限元法对断裂力学问题进行研究.该方法需要程序使用 者建立的模型网格与实际裂纹几何情况保持一致。第一种方法是基于扩展有限元法
(XFEM)付、41对断裂力学问题进行研究,该疗法的特点是程序使用者不需要建立与 实际裂纹几何一致的模型网格。 基J‘传统有限,C方法的断裂力学研究,裂纹的扩展方向沿预先定义好的单元边界方 向.如幽7,8所示,圜此该种方法在研究裂纹时其普遍使用性较差,而且对模型网格 的要求较严格。本文将要介绗的XFEM方法.不但对模型网椿的要求不高,而且裂纹可 以在单元内部发生.也就是说,裂纹与单兀网格是相互独立的。这样仿真结果将吏与宴 际裂纹相符。XFEM法町以Hj t。仿真有裂纹的结构的承载能力计算、压力容器昀裂纹分
镕,提高"霉精度,裂纹T“在单元遗的^部通过.随著计算机硬件.鞔*拄术曲提高,
XFEMi*的应月将—挑末越r£.
关键词
ABAOUS,断裂力兽扩醛f侑毗XFEM
材料的断裂力学特性
对r川2材料.如金属材料、l程塑料等,一般分为阿种材科类型:脆性材料、逛 性材料。因此材料的破坏也就分为脆性破坏、延性破坏。以下分别介绍其材料破坏特点,
1
1脖性破坏特点:
a裂纹从萌生、扩展直刊I.什断裂发牛的很快,断口处材料发生很微小的塑性变形 甚至没有明显的型性变形.如图I所示。 b当加载到脆性材料J:什的载荷达到极限载荷,那么[件上的裂纹会在数量以及尺 寸上同时迅速增加,直到一什破坏。 ’2延性破坏的特点:
8断裂址程分为明显的三个历程:孔洞的形核、生长、聚合,如图2所示。
b裂纹伴随着大面积的塑性麻变缓慢的移动。 c如果加载到1冲|=上的载荷不再继续增加,一般情况下裂纹不会继续生长。
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2扩展有限元法(XFEM)简介
2
l断裂横型基本分类:
为r预测村料断裂干J=为,目前提山r多种不耐的方法:线弹性断裂力学、内聚力模 型,弹颦性断裂力学肆。首先,芷线弹性断裂力学巾提出了二种断裂模型『l,21,即: 载荷与裂纹乖直、载茼。,裂纹平{,、载荷*}裂纹横向如幽3、4、5所示。其次,线弹性
abaqus cae中的mmc断裂设置
abaqus cae中的mmc断裂设置
在ABAQUS CAE中,可以使用MMC断裂设置来模拟材料的断裂行为。
具体的设置方法可能因模型的不同而有所差异,但通常包括以下步骤:
1. 创建断裂部件:进入草图模式,创建一个矩形板,然后退出草图模式。
点击PartitionFace:Sketch,再次进入草图模式,创建一条seam。
在草图模式下,创建4个半圆,为定义裂纹及mesh做准备。
2. 设置材料属性:创建材料,并为断裂部件分配相应的材料属性。
3. 定义断裂准则:选择合适的断裂准则,如最大应力、应变能密度等。
4. 设置断裂参数:设置断裂韧性、临界张开位移等参数,以控制断裂行为。
5. 划分网格:对断裂部件进行网格划分,确保断裂区域的网格足够细。
6. 求解:进行静态分析,观察断裂过程和结果。
请注意,上述步骤仅为一般性指导,具体的设置方法可能因模型的不同而有所差异。
如果你需要关于MMC断裂设置的更详细信息,请提供相关的模型和问题描述,我将尽力为你提供帮助。
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。
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。
XFEM总结
一、 ABAQUS 中XFEM 的实现(基于牵引分离规则的损伤力学理论)1、选择模型中可能出现裂纹的区域,将其单元设置为具有扩展有限元性质的富集单元;2、选择合适的破坏准则,使得单元在达到条件时发生破坏,裂纹得以扩展。
二、 ABAQUS 中XFEM 的简化1、富集单元内不能存在两条裂缝,说明ABAQUS 放弃了两个形函数带来的耦合问题,所以ABAQUS 中不能模拟分叉裂缝;2、在计算过程中会发现裂缝是不能停留在单元内部,说明ABAQUS 放弃了单元内部对裂尖的描述;3、ABAQUS 在计算XFEM 的损伤时采用的是基于能量释放率的Paris 法则,虽然这是基于弹塑性断裂力学的经典手段,但由于承认了裂尖位置的塑性效应,使得在模拟损伤时也只能对低周疲劳能有比较好的近似。
三、 破环准则——最大主应力准则:1、破坏法则(用以控制损伤的起始)max max max max 0,0,0σσσσ<⎧⎫<>=⎨⎬>⎩⎭0max σ为最大临界主应力(通过实验给定,武汉岩土所为320Pa ),为了避免纯压缩状态下发生损伤。
当上式f 范围为0<f<1+f tol ,其中f tol为一个公差,默认为0.05,当f>1+f tol时,认为达到损伤断裂准则,开始起裂。
2、Damage Evolution损伤演化(用以控制损伤的发展情况)(1)Damage Evolution 中的所有选项是用来确定单元达到强度极限以后的刚度降阶方式,包括基于位移损伤演化规律和基于能量损伤演化规律(武汉岩土所给定基于能量)。
(2)软化定义:线性软化、指数软化、表格定义软化曲线(武汉岩土所为指数软化)(3)Mixed-mode definitiona. 接触点处的正常和剪切分离的相对比例定义了该点处的模式混合。
b.定义等效断裂能释放率:BK准则:(武汉岩土所为软化BK准则,幂指数为2.284,断裂能释放率各向同性均为28)Power准则:Reeder准则(仅适用于三维问题,且Gц≠Gш时最为适用):3、损伤稳定系数:用以改善收敛,一般取1E-5。
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 XFEM 柱面与平面滑动接触中裂纹的扩展xfem(step by step)
ABAQUS XFEM 柱面与平面滑动接触中裂纹的扩展xfem(step by step)
1.part部分:
plate模型为2D 变形壳体尺寸为0.5x0.2M(因为后面采用的是MPa,所以这里采用的是M,为了单位统一) 。
用partition命令将plate切割成装配图上面一样(尺寸0.24x0.06)Rigid模型为2D解析刚体尺寸为R0.06圆的下面部分的2/3半圆(看装配模型就知道)。
注意要在上面设置一个参考点,在load部分加载位移边界用。
wire模型2D变形线尺寸为0.01位置坐标(0.25,0.2),(0.25,0.19)线两端点的坐标,大家懂的。
添加一个装配图对照模型。
2.property部分这一部分尽量多用图片
主要设置了一下几部分的材料属性,用的材料为Q345-steel(因为刚好找到了它的应力应变数据)1、密度2、弹性属性3、塑性属性4、损失准则
5.interaction部分
1.首先创建contact controls,创建步棸菜单栏interaction->contact controls->create,参数的设置见下图:
2.裂纹的设置,创建步棸菜单栏special->crack->create->xfem ,区域的选择见下图
3其他包括相互作用的一些属性见下图
6.load部分
位移边界条件的加载如下图
7.Mesh部分
种子布置见下图
网格控制主要采取的是structured
8.Job就ok了,祝大家好运。
也同时感谢论坛里面帮助过我的朋友。
ABAQUS中的断裂力学及裂纹分析总结
ABAQUS中的断裂力学及裂纹分析总结(转自simwe)(1)做裂纹ABAQUS有几种常见方法。
最简单的是用debond命令, 定义*FRACTURE CRITERION, TYPE=XXX,参数。
***DEBOND, SLAVE=XXX, MASTER=XXX, time increment=XX0,1,……......time,0要想看到开裂特别注意需要在指定的开裂路径上定义一个*Nset,然后在*INITIAL CONDITIONS, TYPE=CONTACT中定义master, slave, 及指定的Nset这种方法用途其实较为有限。
(2)另一种方法,在interaction模块,special, 定义crack seam, 网格最好细化,用collapse element模拟singularity. 这种方法可以计算J积分,应力强度因子等常用的断裂力学参数.裂尖及奇异性定义:在interaction-special,先定义crack, 定义好裂尖及方向, 然后在singularity选择:midside node parameter: 输入0.25, 然后选Collapsed element side, duplicate nodes,8节点单元对应(1/r)+(1/r^1/2)奇异性。
这里midside node parameter选0.25对应裂尖collapse成1/4节点单元。
如果midside nodes不移动到1/4处, 则对应(1/r)奇异性, 适合perfect plasticity的情况.网格划分:裂尖网格划分有一些技巧需要注意,partition后先处理最外面的正方形,先在对角线和边上布点,记住要点constraint, 然后选第三个选项do not allow the number of elements to change不准seed变化,密度可以自己调整. 最里面靠近圆的正方形可以只在对角线上布点. 也可以进一步分割内圆及在圆周上布点. 里面裂尖周围的内圆选free mesh, element type选cps6或者cpe6,外面四边形选sweep mesh, element type选cps8或者cpe8, 记住把quad下那个缩减积分的勾去掉。
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 XFEM 方法介绍
裂纹扩展分析体验热分析中的热物性参数:材料密度,热导率,比热容,电阻率,弹性模量,融化潜热的焓、泊松比、散热系数。
在ABAQUS模型中,需用3D的deformable、shell、exctrusion方式建立一个初始裂纹,长短适宜,初始裂纹要从开始起裂的点设置。
由于计算方法目前还不稳定,参数要适当调整。
设置网格划分参数的时候,应该对称设置,否则网格不对称。
断裂应力的大小要和断裂能量的设置相应,能量太大、太小导致不易收敛,断裂区域的网格要规则,各个方向尺寸要差不多,整个厚度方向单元数量一致,且越少越好,即使裂纹起始点两侧单元未参与裂纹,也要尽可能均匀规则,裂纹扩展的区域不能被PARTION开,应该是一体的。
冲击动载荷时,载荷步时间应尽可能小,maxps damage应力应大于ductile damage应力。
初始裂纹不能在单元界限扩展,否则导致不收敛。
裂纹可在两种弹性金属界面上。
适用于弹性材料、两种弹性材料界面裂纹和幂硬化材料。
我建立的弹塑性材料模型不容易收敛,把塑性去掉后反而容易收敛。
建立ductile manage模型时,需要材料的塑性行为,但必须同时有traction manage模型,否则就提示某些单元的fracture damage模型未能建立?。
traction manage模型和ductile manage模型中的damage evolution中的类型和数值要相同。
初始屈服应力和断裂应力不能差太多。
动力学的冲击裂纹分析,不能有塑性(当然也不能有ductile damage),可能是因为increment time 太大了?(或者是先分析一下不带塑性材料的,通过了才分析有塑性材料的?)断裂能量要和断裂应力相适应,否则可能因为能量太高,还未达到,但应力达到了,导致裂纹不开裂、计算不收敛。
能量太低,很容易就满足了能量开裂原则,但应力未达到,裂纹不能开裂、计算不收敛。
能量的高低也影响到稳定扩展裂纹的长短:能量低的时候,由于需要很少的能量即可实现裂纹扩展,因此稳定扩展的裂纹在不长的时候即会失稳扩展;能量太高的时候,在裂纹稳定扩展的过程中试样积累了相当的能量,因此稳定扩张一段时间后,试样内部的能量和外加能量就可以实现裂纹的失稳扩展,稳定扩展段也不会很长。
