裂纹扩展的扩展有限元(xfem)模拟实例详解

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。

文章主题：基于xfem的垂直于双材料界面的裂纹扩展问题在材料科学和工程领域，裂纹扩展问题一直是一个备受关注的研究课题。

特别是在双材料界面上的裂纹扩展问题，由于双材料特性的不均匀性和复杂性，增加了研究和分析的难度。

在本文中，我们将从基于xfem（扩展有限元法）的角度出发，探讨垂直于双材料界面的裂纹扩展问题，以期为这一领域的研究和实际应用提供新的思路和方法。

一、概述垂直于双材料界面的裂纹扩展问题是指在两种材料的交界面上，裂纹在垂直方向上的扩展行为。

这种情况下，裂纹扩展的受力和受约束条件都受到了双材料特性的影响，需要深入分析和研究。

传统的有限元法在模拟和分析这种问题时存在一定的局限性，而xfem则能够有效地刻画裂纹的扩展路径和受力情况，因此成为了研究这一问题的有力工具。

二、裂纹模型的建立在进行垂直于双材料界面的裂纹扩展问题建模时，需要考虑双材料界面的影响，分析裂纹在材料间传播的受力情况和速度。

利用xfem，可以方便地将裂纹扩展路径和扩展速度等参数纳入模型中，通过数值计算得到裂纹扩展的演化规律和裂纹尖端的受力情况。

这有助于更准确地理解和分析垂直双材料界面上的裂纹扩展问题。

三、影响因素分析垂直于双材料界面的裂纹扩展受到诸多因素的影响，其中包括材料性质、裂纹尺寸、应力状态等。

通过xfem的数值模拟，可以分析不同因素对裂纹扩展行为的影响程度，揭示裂纹扩展过程中的关键因素和规律。

这有助于为材料设计和工程应用提供更可靠的参考依据。

四、工程应用与展望垂直于双材料界面的裂纹扩展问题在工程应用中具有重要意义，例如在复合材料结构的设计和评估中。

通过对裂纹扩展行为的深入研究和分析，可以为工程实践提供更有效的裂纹控制和结构安全性评估方法。

未来，基于xfem的裂纹扩展问题研究还可以结合人工智能算法和大数据分析等方法，进一步提高模型精度和计算效率，拓展应用领域和深化理论研究。

个人观点与总结垂直于双材料界面的裂纹扩展问题是一个复杂而又具有挑战性的研究领域，需要运用先进的数值模拟方法和理论分析手段来探讨和解决。

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。

版本X F E M(扩展有限元)例子的详细图解一、part模块中的操作：二、 1.生成一个新的part，取名为plate，本part选取3Ddeformablesolidextrusion类型（如图1）三、 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editdimension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）四、 3.完成后拉伸此矩形，深度为1.（如图3）五、图1，图2，图3，4.生成一个新的part，取名为crack，本part选取3Ddeformableshellextrusion类型（如图4）5.生成一条线，此线的左端点坐标为（0，），右端点坐标为（，）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。

8.在partPlate中分别创建4个集合，分别为：all，bottom，top和fixZ，各部分的内容如图8～11所示。

二、Material模块中的操作：1.创建材料elsa，其弹性参数为E=210GPa，泊松比为（如图12）最大主应力失效准则作为损伤起始的判据，最大主应力为（如图13）损伤演化选取基于能量的、线性软化的、混合模式的指数损伤演化规律，有关参数为G1C=G2C=G3C=42200N/m，=1.（如图14）2.创建一个SolidHomogeneous的section，名为solid（如图15），此section与材料elsa相联（如图16），并将此section赋给platepart（也就是集合all）（如图17）3.赋予材料取向，分别如图18～21所示。

三、划分网格：网格控制为：Hex型structured（如图22），单元类型为C3D8R（如图23）设置plate各边的网格种子为8，26，36（如图24），各边种子的个数不能改变（如图25）四、装配模块：选中plate和crack两个part，分别生成2个实体（如图26），生成一个参考点，参考点的坐标为（，-3，0）（如图27，28）。

基于XFEM的膜盘联轴器裂纹扩展模拟引言膜盘联轴器是一种常见的传动装置，用于连接两个轴并传递扭矩。

由于受到工作环境的复杂性和工作参数的不确定性，联轴器在使用过程中可能会出现裂纹扩展的情况，严重影响其工作性能和安全性。

研究膜盘联轴器的裂纹扩展行为对于提高其使用寿命和可靠性具有重要意义。

本文将基于XFEM（扩展有限元方法）对膜盘联轴器的裂纹扩展行为进行模拟分析，探讨其裂纹扩展机理和影响因素，为设计和改进膜盘联轴器提供理论基础和参考依据。

1. 膜盘联轴器的结构和工作原理膜盘联轴器是由两个平行的轴、套柱、弹性膜盘、密封环、螺栓等组成的机械传动装置，广泛应用于工程机械、船舶、风力发电等领域。

其工作原理是通过弹性薄膜盘在两轴之间传递扭矩，使两轴实现相对转动，从而实现机械传动功能。

2. XFEM方法简介XFEM是一种用于处理裂纹和裂纹扩展问题的数值方法，相比传统的有限元方法，XFEM 可以更加准确地描述裂纹尖端的应力和位移场。

它通过引入裂纹增强函数和不连续性域的概念，实现裂纹的自适应建模和精确计算。

3. 膜盘联轴器裂纹扩展模拟① 模型建立：利用CAD软件建立膜盘联轴器的三维实体模型，并将其转换为有限元分析模型。

在模型中人为引入裂纹，确定裂纹的初始位置和方向。

② 材料参数：选取与实际膜盘联轴器相似的弹性材料参数，并确定裂纹的材料特性，包括裂纹扩展速率、裂纹尖端的应力强度因子等。

③ 裂纹扩展模拟：利用XFEM方法进行裂纹扩展的数值模拟，根据裂纹尖端附近的应力场和材料特性，计算裂纹的扩展路径和扩展速率。

④ 结果分析：分析裂纹扩展过程中的应力状态、位移场和裂纹尖端的变化规律，探讨裂纹扩展的机理和影响因素。

4. 结果与讨论通过膜盘联轴器的裂纹扩展模拟，可以得到裂纹扩展的路径、速率和受力状态等数据，从而分析裂纹扩展的机理和规律。

裂纹扩展路径：根据模拟结果可以得到裂纹扩展的路径和形态，研究裂纹扩展与联轴器结构的关系，探讨载荷大小和方向对裂纹扩展的影响。

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 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。

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。

2019年18期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application扩展有限元法在疲劳裂纹扩展模拟中的应用张芮晨（中国直升机设计研究所，天津300000）前言目前，有限元仿真大量应用于疲劳问题分析计算中。

然而常规有限元法采用连续函数作为形状（插值）函数，在单元内部形状函数和材料性能必须保证连续，进行裂纹分析时，裂纹面需与网格边界重合，网格节点需与间断面的尖端重合[1-2]。

如Abaqus 中针对裂纹扩展分析的两种技术：基于debond 裂纹扩展技术和基于cohesive 裂纹扩展技术。

两种技术均需提前指定裂纹扩展区域与方向，对于网格的划分限制较大，工作量大，效率低。

而在扩展有限元法（Extended Finite Element Method ，XFEM ）中，网格与结构内部的几何或物理界面无关，两者间相互独立，裂纹尖端应力场的计算与裂纹面扩展计算相互独立，避免了在裂纹尖端进行高密度网格划分的问题和网格重新划分的工作[3-5]。

本文采用扩展有限元法对疲劳裂纹扩展进行仿真分析，达到无需指定裂纹扩展路径、无需进行高密网格划分也可模拟裂纹扩展的目的，节省建模所需要的时间，大大减少工作量，同时又提高了裂纹扩展模拟的准确度。

1扩展有限元法理论基础1.1单位分解法（PUM ）扩展有限元通过在常规有限元位移模式中加进跳跃函数和渐进裂尖位移场函数等一些特殊的函数，来有效地模拟类似裂纹一类的强不连续问题，而它的理论基础既为单位分解法。

在单位分解法中，认为任何函数φ(x)都可以用域内局部函数H Γ(x)φ(x)表示，即其中，H Γ(x)为有限单元形状函数，它形成一个单位分解（2）以此为基础，对有限元形状函数进行改进。

重叠分片{θi }构成研究区域M 的一个覆盖，{φi }为覆盖上的一个单位分解。

在每一分片上，函数空间V i 为区域M 的局部逼近，总体试探空间V 为（3）总体空间V 不但具有局部空间V i 的逼近特性，又有单位分解φi 和局部空间V i 的光滑性，只要单位分解φi 足够光滑，就能构造出足够光滑的试探空间。

基于XFEM的膜盘联轴器裂纹扩展模拟膜盘联轴器是一种常见的传动装置，其特点是具有较大的变形能力和轻质化结构。

但是由于使用环境的原因以及其自身的材料缺陷，膜盘联轴器在使用过程中可能会发生裂纹，对其使用寿命和安全性产生威胁。

因此，需要对膜盘联轴器的裂纹扩展进行预测和仿真分析。

传统的有限元方法在对裂纹扩展进行分析时存在一些缺陷，比如需要事先预测裂纹的形状和位置，忽略了裂纹的主动扩展过程等。

针对这些问题，基于扩展有限元方法(XFEM)的技术被广泛应用于裂纹扩展分析。

XFEM技术可以在有限元网格中自适应地加入裂纹扩展的路径，无需定义裂纹的几何形状，从而更加准确地模拟裂纹扩展过程。

此外，XFEM还可以考虑裂纹周围的应力场对裂纹扩展的影响，因此对于三维问题具有显著的优越性。

本文考虑了一种膜盘联轴器的裂纹扩展问题，并基于XFEM技术进行数值仿真研究。

具体来说，我们将环状膜盘联轴器建模为一个三维弹性体，在其内部引入一个初始裂纹，并通过控制载荷和边界条件模拟裂纹的扩展过程。

仿真结果显示，裂纹的扩展路径与实验结果相符合，证明了XFEM在膜盘联轴器的裂纹扩展分析中的有效性。

此外，我们还进一步分析了载荷、材料性质和裂纹形状对裂纹扩展路径的影响。

结果表明，载荷大小对于裂纹扩展路径有很大的影响。

当载荷大于一个临界值时，裂纹的扩展趋势将发生显著改变。

此外，材料的韧性和弹性模量也对裂纹扩展路径有影响，具有更韧性和较小弹性模量的材料会导致裂纹扩展路径更弯曲。

裂纹的初始形状对裂纹扩展路径的影响不如其他因素显著。

综上所述，本文基于XFEM技术，对膜盘联轴器的裂纹扩展进行了数值仿真研究，并探究了不同因素对裂纹扩展路径的影响。

研究结果为膜盘联轴器的设计和使用提供了一定的参考和指导，也为XFEM在裂纹扩展分析中的应用提供了一个具体案例。

基于XFEM的膜盘联轴器裂纹扩展模拟膜盘联轴器是一种常见的传动装置，它由若干个相互连接的膜片组成。

在工作过程中，膜盘联轴器通常承受着较大的转矩和转速，在长时间的工作过程中，可能会出现裂纹扩展的问题。

为了对膜盘联轴器的裂纹扩展进行模拟分析，可以采用基于扩展有限元法（XFEM）的方法。

XFEM是一种能够建模材料内部裂纹扩展的有限元方法。

与传统的有限元方法相比，它能够准确地模拟裂纹的扩展行为，为工程师提供更加准确的断裂分析结果。

在膜盘联轴器的裂纹扩展模拟中，首先需要将裂纹引入到模型中。

由于膜盘联轴器是由多个膜片组成的，因此裂纹通常会发生在膜片之间的接头处。

引入裂纹后，需要对裂纹进行离散化，将裂纹划分为许多小的单元，以便进行有限元分析。

在裂纹扩展过程中，裂纹尖端会受到应力场的影响，从而导致裂纹扩展。

为了模拟这个过程，需要在有限元分析中引入裂纹扩展准则。

常用的裂纹扩展准则包括J-integral准则和应力强度因子准则。

通过这些准则，可以根据应力和应变场的变化来判断裂纹是否会继续扩展。

在裂纹扩展模拟中，使用XFEM可以有效地模拟裂纹的扩展行为。

XFEM采用了分片形函数的方法，能够在裂纹尖端的元素上引入裂纹影响函数，从而准确地模拟裂纹扩展过程。

与传统的有限元方法相比，XFEM能够更加准确地预测裂纹的扩展路径和扩展速率。

通过基于XFEM的膜盘联轴器裂纹扩展模拟，可以得到裂纹扩展的路径和速率，为工程师提供了重要的参考数据。

这对于设计更可靠的膜盘联轴器、预测其寿命和提高其工作性能具有重要意义。

还可以通过模拟分析来指导维修和保养过程，及时发现和修复潜在的裂纹问题，确保膜盘联轴器的正常运行。

ANSYS16.0新增扩展有限元XFEM裂纹扩展仿真简介中国矿业大学, 师访, matmes@1 引言早在两年前，就听安世亚太的人说ANSYS15.0将加入XFEM，但结果令人失望。

左盼右盼，终于在ANSYS16.0中等来了扩展有限元（Extended Finite ElementMethod）XFEM 功能。

首先，对于不知道XFEM为何物的朋友们，建议看下这篇文献：断裂问题的扩展有限元法研究_茹忠亮_岩土力学_2011.pdf(834.69 KB, 下载次数: 0)欢迎联系我讨论关于XFEM断裂模拟的相关问题，QQ：15492217582 ANSYS16.0 XFEM简介ANSYS16.0发布时候关于结构分析的简介中并未提及XFEM，由此可见ANSYS中的XFEM功能也不会太让人满意，看了其帮助文档（ANSYS Mechanical APDL Fracture Analysis Guide.pdf(2.52 MB, 下载次数: 0)，3.2节）后发现，事实确实如此。

（1）基于虚拟节点法，与Abaqus一致。

（2）仅支持线弹性材料。

（3）不支持裂尖增强，同样与Abaqus一致，这就导致裂纹尖端不能落在单元内部，只能位于单元边界上。

（4）必须事先给定初始裂纹，即不支持裂纹的自动萌生。

鸡肋的是，初始裂纹的定义居然要通过给定水平集值的方法来实现：XFDATA,LSM,ELEMNUM,NODENUM,PHI（5）支持粘聚裂纹。

（6）支持PLANE182（4节点四边形单元，用于2D平面问题分析）及SOLID185（8节点正方形单元，用于3D问题分析）这两种单元。

（7）仅支持准静态分析，不支持动态断裂。

（8）裂纹每次只能扩展一个单元长度。

（9）仅支持两个裂纹扩展准则：STTMAX，最大周向应力准则（Maximum circumferential stress criterion）；PSMAX（Circumferential stress criterion）。

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提取XFEM(扩展有限元)裂缝长度【壹讲壹插件】2015-7-20作者：星辰-北极星Abaqus提取XFEM(扩展有限元)裂缝长度 (1)第一部分：Abaqus 扩展有限元方法XFEM (2)1.1概要 (2)1.2这些你有注意到吗？ (2)1.3 圆孔内压裂缝模拟实例 (2)1.3.1 部件建立 (2)1.3.2 材料性质定义(part1) (2)1.3.3 分析步定义 (3)1.3.4 参数输出 (3)1.3.5 接触模块定义Crack (3)1.3.6边界条件定义 (4)1.3.7 网格划分 (4)1.3.8初始地应力施加 (4)1.3.9 计算结果： (4)第二部分：扩展有限元裂缝长度求解 (5)2.1 概要 (5)2.2 基本求解思路： (5)第三部分：星辰-北极星插件介绍：POLARIS-XFEMCreckGeo2D (6)3.1 概要 (6)3.2 插件的主要功能 (6)3.3 使用注意事项 (6)3.4 插件使用简介 (7)3.4.1 打开插件 (7)3.4.2 数据获取 (7)3.4.3 裂缝信息获取 (8)3.4.4 示例 (8)第一部分：Abaqus 扩展有限元方法XFEM文章转自：/908754116/blog/14374022441.1概要XFEM即扩展有限元方法，它在标准有限元框架内研究问题，保留了有限元方法的所有优点。

扩展有限元法与有限元法最根本的区别在于所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格划分所带来的困难，在模拟裂纹扩展时也无需对网格进行重新划分。

如果要正常地使用它，我们首先要了解Abaqus中的扩展有限元方法有哪些特别，它在理论上做了哪些简化等，帮助文档进行了很好的讲解：《Abaqus Analysis User's Manual》10.7.1 Modeling discontinuities as an enriched feature using the extended finite element method。

基于XFEM的膜盘联轴器裂纹扩展模拟膜盘联轴器是一种常用的机械传动装置，其主要用于传递两个轴的转矩。

在使用过程中，由于工作条件的复杂性以及材料的疲劳，裂纹的形成和扩展是不可避免的。

对膜盘联轴器裂纹扩展行为的研究具有重要的意义。

基于扩展有限元法（XFEM），可以模拟材料中裂纹的扩展行为。

XFEM是一种将数值分析方法与数学基础理论相结合的仿真方法。

通过加入扩展刚度场（ESF）和裂缝增长准则，XFEM可以模拟裂纹的扩展路径和速率。

需要建立膜盘联轴器的几何模型，并进行网格划分。

膜盘联轴器通常由圆盘和薄膜组成，所以在建模时需要考虑这两者的几何形状和尺寸。

对于圆盘部分，可以使用二维或三维的几何模型，而薄膜部分可以使用二维的模型。

接下来，需要定义材料的物理性质。

膜盘联轴器通常由金属材料制成，所以可以使用弹塑性或弹性模型来描述材料的力学行为。

还需要考虑到裂纹的存在，因此还需要定义裂纹初始位置和几何形状。

在建立模型和定义物理性质之后，可以进行裂纹扩展的模拟。

需要通过裂纹模式函数来描述裂纹的形状。

裂纹模式函数通常具有能量的形式，可以通过求解裂纹模式函数的极小值问题来确定裂纹的形状。

接着，需要定义扩展刚度场（ESF）。

ESF是一种包含了裂纹信息的场，用于模拟裂纹的扩展行为。

ESF可以根据裂纹的位置和形状被构建出来，并被添加到原始的有限元方程中。

通过裂纹增长准则来决定裂纹的扩展路径和速率。

裂纹增长准则通常基于能量释放率或位移场，在每个时间步中，通过计算裂纹增长准则来确定裂纹的扩展行为。

基于XFEM的膜盘联轴器裂纹扩展模拟可以提供有关裂纹形成和扩展行为的重要信息。

通过模拟，可以研究不同参数和工况对裂纹扩展的影响，为膜盘联轴器的设计和寿命评估提供依据。

该模拟方法还可以应用于其他材料和结构的裂纹扩展研究中。

基于XFEM的膜盘联轴器裂纹扩展模拟传统的裂纹扩展模拟方法主要基于分段线性断裂力学理论，该理论适用于裂纹尺寸较小，裂纹数量较少的情况。

但当裂纹数量或裂纹尺寸较大时，传统的方法往往难以合理地模拟裂纹扩展过程。

因此，近年来，扩展有限元方法（Extended Finite Element Method，XFEM）开始被越来越多地应用于裂纹扩展模拟，该方法可以通过自适应网格细化技术实现对裂纹扩展的精确模拟。

第一步，构建有限元模型。

将膜盘联轴器实际图形进行三维建模，采用有限元方法进行网格划分。

为了能够从宏观上有效模拟裂纹扩展过程，模型所采用的网格密度应该足够高，同时应考虑到计算时间的问题，尽量减少不必要的计算。

第二步，创建裂纹。

由于膜盘联轴器实际中的裂纹形态非常复杂，难以通过简单规则生成，因此可以采用XFEM方法自动生成裂纹。

对于已经出现的裂纹，可以采用Enriched 节点建立额外的节点，用于对裂纹进行建模。

第三步，定义断裂准则。

在XFEM中，裂纹扩展过程由断裂准则定义，断裂准则一般采用能量释放率（Energy Release Rate，ERR）或应力强度因子（Stress Intensity Factor，SIF）等指标。

通过计算不同裂纹扩展路径时的裂纹演化能量，可以得到能量释放率，并从中寻找裂纹扩展的路径。

第四步，进行裂纹扩展计算。

在计算过程中，裂纹扩展路径以及裂纹尖端的移动均是通过计算能量释放率得到的。

在不同裂纹扩展过程中，需进行反复迭代，直至能量释放率满足设定的断裂准则为止。

以上几个步骤是进行膜盘联轴器裂纹扩展模拟所必要的。

通过XFEM方法建立的模型可以较为真实地模拟裂纹扩展过程，为评估膜盘联轴器的可靠性、制定维修方案提供了重要参考依据。

[断裂与失效] ABAQUS6.9版本XFEM(扩展有限元)例子的详细图解step by step 〔By SIMWE wylxl2001 〕一、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来画出准确长度的模型。

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〕 3.完成后拉伸此矩形，深度为1.〔如图3〕图1，图2，图34.生成一个新的part，取名为crack，本part选取3D deformable shell extrusion 类型〔如图4〕5.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。

8.在part Plate中分别创立4个集合，分别为：all，bottom，top和fixZ，各局部的内容如图8～11所示。

二、Material模块中的操作： 1.创立材料elsa，其弹性参数为E=210GPa，泊松比为0.3〔如图12〕最大主应力失效准那么作为损伤起始的判据，最大主应力为84.4MPa〔如图13〕损伤演化选取基于能量的、线性软化的、混合模式的指数损伤演化规律，有关参数为G1C=G2C=G3C=42200N/m， =1.〔如图14〕2.创立一个Solid Homogeneous的section，名为solid，此section与材料elsa 相联，并将此section赋给plate part〔也就是集合all〕3.赋予材料取向，分别如图18～21所示。

三、划分网格：网格控制为：Hex型structured〔如图22〕，单元类型为C3D8R 〔如图23〕设置plate各边的网格种子为8，26，36〔如图24〕，各边种子的个数不能改变〔如图25〕四、装配模块：选中plate和crack两个part，分别生成2个实体〔如图26〕，生成一个参考点，参考点的坐标为〔1.5，-3，0〕〔如图27，28〕。