ABAQUS水力压裂模拟-XEFM-COHESIVE-交叉缝-复杂缝-转向缝-体积缝
abaqus裂纹模拟问题汇总
关键字：crack，裂纹，断裂，cohesive，XFEM这个问题不大好总结，比较复杂，我能想到什么就说些什么吧，这个任务已经托了很长时间了，抱歉！有新的想法我会更新。
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。
俩者不是一个概念，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；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。
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)，这个就是基于断裂力学的方法，大家可以参考敦诚版主做的这个例子（一个简单的裂纹模拟例子：/thread-858322-1-1.html），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，详细情况可以参考下这个帖子：/thread-821531-1-1.html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，详细情况可参看yaooay的这个帖子，总结的相当不错！/thread-853029-1-1.html除VCCT（虚拟裂纹闭合技术）和低周疲劳判据外，其他debond技术只能适用于二维模型，所以应用范围受到很大的限制。
VCCT是基于线弹性断裂力学的应变能释放率判据，适用于模拟脆性断裂扩展，且只能沿着事先确定的扩展面扩展，分析前需指定初始裂纹（缺陷），详细信息请查看分析手册11.4.3。
水力压裂拟三维模型数值求解新方法
水力压裂拟三维模型数值求解新方法申颍浩;葛洪魁;程远方;夏雨梅;李娜;杨柳【摘要】水力压裂裂缝垂向不对称延伸的拟三维模型比较复杂,需要多重迭代,循环耦合,仅依靠增加迭代运算的层数,不仅运算量过大,过程迭代甚至可能出现发散.对此,将控制缝高的方程组变换为超越方程,引入Steffensen加速收敛求解缝高,大大提高了收敛速度,避免了常规算法中缝高求解的反复试算.此外,裂缝内压力在靠近尖端时急剧下降,整体加密缝长方向上的计算步长程序复杂度大大提高.采用变步长的龙格库塔方法求解压降控制方程,使得计算步长随着压裂液流动的摩阻大小自动调整,不仅降低了程序复杂度,而且步长疏密度还可以直观展示压裂液流动的沿程摩阻变化趋势.运算结果证明,新的计算思路降低了压裂裂缝拟三维模型数值求解的复杂度,有一定的理论研究价值.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)026【总页数】5页(P219-223)【关键词】水力压裂;拟三维;变步长;龙格库塔【作者】申颍浩;葛洪魁;程远方;夏雨梅;李娜;杨柳【作者单位】中国石油大学(北京)非常规天然气研究院,北京102249;中国石油大学(北京)非常规天然气研究院,北京102249;中国石油大学(华东)石油工程学院,青岛266580;大庆油田化工集团东昊油气处理分公司,大庆163453;中海油研究总院,北京102249;中国石油大学(北京)非常规天然气研究院,北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE357.1近几年，压裂技术获得了极大的发展，已经从常规的单井压裂发展到开采页岩气、致密气藏的水平井多级压裂;裂缝形态也从单一的双翼裂缝变成形态更加复杂的T型缝、缝网等。
水力裂缝形态的数值计算依然是水力压裂领域的研究重点和核心［1—3］。
国内，以张士诚、赵金洲、陈勉等学者为代表，相对系统的研究了裂缝力学扩展机理和裂缝延伸数值模拟。
薛炳、马新仿、胡永全、任书泉、郭建春等学者在三维裂缝的扩展方面进行了大量的研究工作。
利用ABAQUS模拟裂纹ppt课件
• 有限元是将实际情况和 理论联系起来最有效的 工具之一。
目的：通过对各种软件和技术的分析和实验找出适合于模 拟热障涂层裂纹的软件和技术
Chen X. Surface & Coatings Technology, 2006, 200: 3418-3427.
模拟裂纹 开裂和扩 展
实例：
结果：
开裂前：
开裂后：
特点:
• 不一定要设置预置裂纹 • 裂纹可沿任意路径扩展 • 不能输出裂纹扩展过程中的能量释放率
结论
由于热障涂层的裂纹大部分是脆 性裂纹，研究中能量释放率是一个重 要的参考指标，同时考虑操作过程难 易情况，因此选择abaqus中的debond技 术来模拟CMAS对热障涂层中裂纹的 扩展的影响。
韧M）
模
2.基于牵引分离规则的损伤力学
型
（damage base traction-separation laws）
abaqus 技术
1.debond 2.cohesive element 3.collapes element 4.XFEM
1. debond
abaqus简介
• abaqus能提供从热障涂层建模到有限元计 算这整个过程所需的软件支持
• abaqus最擅长于动态非线性分析 • abaqus操作简单，使用方便
理论 LEFM Damage
技术方法 debond
cohesive element
collapse element
XFEM
应用类型
脆性断裂
基于abaqus模拟热障涂层裂纹的 技术与方法
时 间：2012年11月27日
提纲
abaqus帮助文档水力压裂例子inp文件解释10.1.5-副本（53）
abaqus帮助文档水力压裂例子inp文件解释10.1.5-副本（53）预览说明:预览图片所展示的格式为文档的源格式展示,下载源文件没有水印,内容可编辑和复制**约束底面单元u3=0*Amplitude, name=volumerate振幅，名称=volumerate0.0,0.0, 200.0,-1.0**时间或频率，幅值1；时间或频率，幅值2**STEP ----------------------------------------------------------------**** STEP: Step-1***Step, name=Step-1, nlgeom=YES, unsymm=YESNlgeom选择ON表示计算中加入几何非线性。
材料力学和弹性力学的一项基本假设是材料的位移与应变关系是线性的,且应变为小量,即几何关系是线性的,属于小变形问题。
UNSYMM:设置UNSYMM=YES表明使用非对称矩阵存储求解。
设置=NO表明使用对称矩阵存储求解。
该参数的默认值依赖于模型和求解序列*Geostatic**初始应力平衡**** LOADS加载**** Name: Load-1 Type: Pressure名称：Load-1 类型：Pressure*Dsload_PickedSurf260, P, 42000.**顶面施加42000的垂向压力：表面名，分布载荷类型标签，参考载荷大小** Name: Load-2 Type: Body force名称：Load-2 类型：Body force（体力）*Dload_PickedSet8, BZ, -20.**所有单元施加向下的分布力20** Name: Load-3 Type: Pressure*Dsloadwell_bore, PNU, 1.**井筒上的分布载荷，user-defined？井眼，PNU,1***Boundary,user**边界，在子程序disp中定义**_PickedSet5, 8, 8, 1TOP, 8, 8, 1**顶面所有点，8,8——孔隙压力（或静水压），变量大小BOT, 8, 8, 1**底面所有点**。
2.水力压裂压裂裂缝的开启和形成过程模拟
– 这个临界值成为抗拉强度, 这是岩石特征属性
• 剪切破坏
– 当剪应力沿着某个面且足够大，会引起剪切 破坏
– 最终，在缺省区域中沿着破坏面，这个面的 两边将会在摩擦过程中相对移动
剪应力
注入压裂液(孔隙压力增大)
有效正应力 有效应力= 总应力 – 孔隙压力
多级人工裂缝
使用 BB 模型
添加 BB 模型
*HYDROFRAC IJK 1:31 3 3:20 02 1:31 9 3:20 02 1:31 15 3:20 02 1:31 21 3:20 02 *MAGNIFYDJ 1E3 *DISPLACTOL 5.E-02
有限元 （地质力学网格）
连续法 保持连续
离散法 可以分离
裂缝渗透率
BB模拟计算
裂缝宽度计算
裂缝宽度
×
√
裂缝长度
×
√
裂缝高度
×
√
应力及有限元概念
有效应力
• 有效应力是指总应力引起的岩石本身所承受应力，有效应力等于总应力减去
有效孔隙压力
’
p
’
p
孔隙压力、有效应力和总应力
σ = σ’ + αP
• σ是指总应力 • σ’是指有效应力 • α是指Biot系数用于描述流固耦
两个模型的地质力学裂缝宽度对比– Layer 15
未使用 BB 模型
使用 BB 模型
单一裂缝
两个模型的渗透率I与裂缝渗透率I区域对比
未使用 BB 模型
使用 BB 模型
单一裂缝
两个模型的地质力学网格裂缝间距比对– Layer 15
L
L+a
径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展数值模拟
径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展数值模拟刘晓强;曲占庆;郭天魁;田启忠;吕玮【摘要】径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展是一项新兴的油气增产技术,已在低渗透油田中进行了先导性应用.为明确不同因素对径向井引导裂缝扩展的影响,利用ABAQUS扩展有限元法建立了径向井辅助水力压裂模型,采用导向因子作为评价指标对各影响因素进行分析,并通过物理模拟实验进行了验证.结果表明:径向井对裂缝的扩展起到一定的引导作用,裂缝首先沿径向井方向起裂并扩展,然后逐渐向最大主应力方向偏转;径向井方位角、水平地应力差和压裂液排量是影响径向井引导裂缝扩展的3个主要因素;径向井方位角小于45°,水平地应力差小于6 MPa时,径向井具有明显的引导裂缝扩展效果;径向井对裂缝扩展的有效引导需要满足一定的排量,排量太小会导致裂缝过早向最大主应力方向偏转;杨氏模量和压裂液黏度主要影响裂缝长度和宽度,泊松比的变化对引导裂缝扩展影响不大;物理模拟实验和数值模拟结果得到的径向井引导裂缝扩展形态趋于一致,证明了数值模型的准确性.该研究为径向井辅助水力压裂技术的发展提供了技术支撑.【期刊名称】《特种油气藏》【年(卷),期】2018(025)005【总页数】7页(P156-162)【关键词】径向井;水力压裂;裂缝扩展;流-固耦合;ABAQUS扩展有限元法【作者】刘晓强;曲占庆;郭天魁;田启忠;吕玮【作者单位】中国石油大学(华东),山东青岛 266580;中国石油大学(华东),山东青岛266580;中国石油大学(华东),山东青岛 266580;中国石化胜利油田分公司,山东东营257000;中国石化胜利油田分公司,山东东营 257000【正文语种】中文【中图分类】TE9280 引言径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展是近年发展起来的一项新的油气增产技术，已在中国部分低渗透油气田中进行了先导性应用[1-3]。
目前，部分学者对径向井辅助水力压裂引导裂缝扩展进行了初步探讨。
Abaqus教程之cohesive单元损伤模拟可修改文字
位移U2-时间曲线
支反力RF2-时间曲线
分析载荷位移曲线（基于能量准则且施加位移刚好等于cohesive完全损伤时的张开距离）
支反力RF2-位移U2曲线
Stress2-位移U2曲线
从Stress2与位移U2中发现，当达到100MPa时开始损伤，cohesive张开达到1e-5mm时， cohesive单元完全失效，此时的SDEG=1，此时的cohesive不能再承受力将被删除掉， 这个与我们开始的预期是完全一致的。
abaqus中 cohesive模型 的建立及设置
下面我们将给出abaqus不同模块下的实例设置步骤，方便快速理解和学习 Part模块：
Property模块：
Assembly模块：
Step模块：
Load模块：
Mesh模块：
下面结合实例全 面解读cohesive
分析载荷位移曲线（基于能量准则且施加位移刚好等于cohesive完全损伤时的张开距离）
对模型进行网格划分，我们既然是验证，
那么我们就要采用单个cohesive单元进行 分析，因为我们只需要对平板模型进行
切分，然后在中间那层插入cohesive单元 即可，每个边都布置一个种子，这样上下
两层实体单元就分别划分成了一个实体
单元，然后在中间插入一层0厚度的 cohesive单元（采用0厚度cohesive单元 更容易观察cohesive张开位移的变化），
Cohesive element理论
abaqus6.14在线帮助文档 http://ivt-abaqusdoc.ivt.ntnu.no:2080/v6.14/books/usb/default.htm
cohesive element是基于损伤力学理论，自己去帮助文档补充相关基础知识
(完整版)ABAQUS中Cohesive单元建模方法讲解
复合材料模型建模与分析1. Cohesive单元建模方法1。
1 几何模型使用内聚力模型(cohesive zone）模拟裂纹的产生和扩展，需要在预计产生裂纹的区域加入cohesive 层。
建立cohesive层的方法主要有：方法一、建立完整的结构（如图1（a)所示）,然后在上面切割出一个薄层来模拟cohesive单元，用这种方法建立的cohesive单元与其他单元公用节点,并以此传递力和位移.方法二、分别建立cohesive层和其他结构部件的实体模型，通过“tie”绑定约束,使得cohesive单元两侧的单元位移和应力协调，如图1（b)所示。
（a）cohesive单元与其他单元公用节点 (b）独立的网格通过“tie"绑定图1.建模方法上述两种方法都可以用来模拟复合材料的分层失效，第一种方法划分网格比较复杂；第二种方法赋材料属性简单，划分网格也方便，但是装配及“tie"很繁琐;因此在实际建模中我们应根据实际结构选取较简单的方法。
1.2 材料属性应用cohesive单元模拟复合材料失效，包括两种模型：一种是基于traction-separation描述；另一种是基于连续体描述。
其中基于traction-separation描述的方法应用更加广泛.而在基于traction—separation描述的方法中，最常用的本构模型为图2所示的双线性本构模型。
它给出了材料达到强度极限前的线弹性段和材料达到强度极限后的刚度线性降低软化阶段. 注意图中纵坐标为应力，而横坐标为位移,因此线弹性段的斜率代表的实际是cohesive单元的刚度。
曲线下的面积即为材料断裂时的能量释放率。
因此在定义cohesive的力学性能时,实际就是要确定上述本构模型的具体形状：包括刚度、极限强度、以及临界断裂能量释放率,或者最终失效时单元的位移。
常用的定义方法是给定上述参数中的前三项，也就确定了cohesive的本构模型。
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ABAQUS水力压裂模拟|XFEM和Cohesive方法关键字：单缝、多缝、交叉缝、体积缝、转向缝、缝间干扰、储隔层
我是星辰北极星，水力压裂，对于石油工程的朋友并不陌生，它是石油开采和增产的重要手段；也广泛应用于地热开采、地基处理等领域。
由于毕业于石油大学，所以有很多机会接触这方面的问题，也关注着ABAQUS在压裂领域的应用。
这个专题将分享自己在水力压裂仿真中的一些积累，希望大家喜欢。
【主要内容】
一、内容概述
二、仿真要点介绍
2.1 ABAQUS水力压裂模拟常用仿真方法
2.2 地应力平衡分析（Geostatic）
2.3 渗流-位移耦合分析（Soils）
2.4 材料与单位制讲解
2.5 特殊的输出需求与定义
2.6 交叉裂缝处理
三、实例讲解
3.1 基于Cohesive单元的二维水力压裂模拟
3.2 基于Cohesive单元的三维水力压裂模拟
3.3 水力裂缝与天然裂缝相交模拟-Cohesive单元法
3.4 裂缝发育地层的水力压裂模拟-Cohesive单元法
3.5 基于XFEM的水力裂缝转向模拟
3.6 基于XFEM的水平井多段压裂裂缝的缝间干扰问题研究
【二维水力压裂模拟（Cohesive）】
通过这个简单的案例讲述采用Cohesive单元模拟水力压裂的基本技巧，让大家掌握注液、停泵憋压等基本设置，以及前后处理的一些技巧。
【三维水力压裂模拟（Cohesive）】
三维模型计算量较大，但可以模拟储隔层压裂过程中，水力裂缝限制在储层中扩展的形态，当然，下图中的裂缝形态主要受储隔层的材料性质和地应力状态影响；不合适的地层条件将导致水力裂缝窜层现象的发生。
【水力裂缝与天然裂缝相交模拟】
本例中采用Cohesive单元模拟水力裂缝交叉，并可通过该模型分析不同地应力情况下水力裂缝遇到天然裂缝后的扩展轨迹。
应力差较小时，易促使天然裂缝张开；应力差较大时，水力裂缝可穿过天然裂缝。
【裂缝发育地层的水力压裂模拟】
在前面三个案例的基础上，进行裂缝发育地层条件下的复杂缝网模拟，可以形成体积缝网的压裂效果；仿真的难点在于全局嵌入零厚度Cohesive单元层，本例采用POLARIS_InsertCohElem插件实现。
这个效果图是不是可以给您提供无限的遐想空间？
【水力裂缝转向模拟（XFEM）】
扩展有限元方法（XFEM）进行水力压裂模拟的最大优势在于：可以用于预测裂缝转向的轨迹。
不依赖于网格边界的裂缝，得到的裂缝扩展形态也更加逼真。
【多段压裂缝间干扰问题】
目前配合水平井开采石油天然气的重要技术就是分段压裂，而不同压裂缝之间的干扰问题直接影响压裂设计方案，甚至井眼轨迹的设计；如下图所示，第一段压裂缝是上下对称的，而后续压裂缝的一端受到抑制，无法形成对称缝网。