5E62铝合金疲劳裂纹扩展行为的有限元模拟

基于扩展有限元法的裂纹扩展数值模拟及程序实现崔韦;熊欣;喻溅鉴;王建军【摘要】常规有限元法在解决裂纹扩展问题时需要重构网格而使其应用受到局限.扩展有限元法(XFEM)使用扩充形函数描述不连续的位移场,具有在模拟裂纹扩展时无需更新网格模型的显著优点.基于Matlab语言实现了平面问题裂纹扩展模拟程序的开发,通过解析解算例和对某钛合金裂纹扩展试验的模拟验证了程序的精度.【期刊名称】《直升机技术》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】5页(P13-17)【关键词】扩展有限元法;裂纹扩展;数值模拟;Matlab【作者】崔韦;熊欣;喻溅鉴;王建军【作者单位】中国直升机设计研究所,江西景德镇333001;中国直升机设计研究所,江西景德镇333001;中国直升机设计研究所,江西景德镇333001;北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V215.5+2;TB115.1疲劳引起的裂纹萌生和扩展是直升机结构失效的主要原因，近年来损伤容限设计广泛应用于直升机结构设计中[1]。

常规有限元法(FEM)在模拟裂纹扩展、移动界面等不连续问题时，需要进行计算网格的重构，自动化的网格重构是困难而耗费计算资源的：一方面,全自动的网格重构无法保证全部划分结构化网格，目前计算力学界的主要策略为子模型内局部采用非结构化网格[2-4]；另一方面,网格重构将耗费较多计算资源。

为了达到在模拟裂纹扩展时不进行网格重构，使用扩充形函数描述不连续位移场的扩展有限元法(eXtended Finite Element Method，简称XFEM)应运而生[5,6]。

本文对扩展有限元法解决裂纹扩展问题的基本原理进行了阐述，基于Matlab语言实现了平面问题裂纹扩展模拟程序的开发，通过算例验证了程序求解应力强度因子和模拟裂纹扩展路径的精度，最后将程序用于某国产钛合金裂纹扩展试验的数值模拟。

结构内任意形状的单一裂纹如图1所示，有限元网格的所有节点的集合记为S，所有围绕裂纹尖端的单元的节点记为SC，所有被裂纹贯穿的单元的节点(非SC)记为SH，其余节点为常规有限元节点。

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。

基于有限元方法的钢结构裂纹扩展数值模拟钢结构在现代建筑中占据了重要的地位，而裂纹的发生是钢结构中最常见的问题之一。

因此，钢结构裂纹扩展数值模拟技术就显得尤为重要。

有限元方法是一种广泛应用于工程和科学领域的数值分析方法。

它基于物理学原理，将结构分解成离散的有限元素，通过求解边界值问题，得出结构的应力和位移分布。

同样，基于有限元方法的钢结构裂纹扩展数值模拟也是利用这一原理进行求解的。

具体来说，钢结构裂纹扩展数值模拟可以分为以下几步：1. 建立有限元模型首先，需要根据实际情况建立钢结构的有限元模型。

这包括确定结构的几何形态、材料性质、边界条件等信息。

建立好有限元模型后，需要对其进行验证，以保证模型的准确性和可靠性。

2. 定义裂纹模型和加载模型在模型中定义裂纹模型和加载模型。

裂纹模型指的是裂纹的形态和位置，可以根据实际使用条件进行选择。

而加载模型则是指模拟施加在结构上的载荷类型和大小。

3. 求解裂纹扩展过程通过有限元计算软件，对建立的有限元模型进行求解，得出裂纹在结构中的扩展过程。

这一过程需要考虑材料的损伤、裂纹的形态和位置等因素。

4. 分析结果最后，需要对数值模拟结果进行分析。

这包括获取裂纹扩展的速率、寿命和余寿命等信息，了解结构在不同时间节点的疲劳性能和寿命周期等。

钢结构裂纹扩展数值模拟技术的研究可以为结构设计和安全评估提供重要的依据。

通过有限元分析，可以准确地模拟裂纹扩展过程，为实际使用中的结构提供可靠的计算方法。

然而，钢结构裂纹扩展数值模拟技术仍面临一些挑战，如材料损伤机理的建立、裂纹形态和位置的确定以及疲劳损伤的模拟等。

这些问题的解决需要不断地深入研究和探索，以不断提高数值模拟的准确性和可靠性。

综上所述，钢结构裂纹扩展数值模拟技术的应用已经成为现代建筑领域不可忽视的一部分。

通过有限元计算软件等工具，可以进行有效的数值模拟，为实际使用中的结构提供可靠的计算方法。

同时，对相关技术的不断深入研究和探索也有助于推动钢结构行业的发展和进步。

《铝合金车轮双轴疲劳试验数值模拟研究》篇一一、引言随着汽车工业的飞速发展，铝合金车轮因其轻量化、耐腐蚀性及良好的铸造性能等特点，正被广泛应用在各类汽车中。

因此，铝合金车轮的性能、可靠性及寿命成为研究者们关注的重点。

而双轴疲劳试验作为一种有效评估车轮力学性能的方法，具有显著的研究价值。

鉴于此，本文以铝合金车轮为研究对象，开展双轴疲劳试验的数值模拟研究。

通过该方法，不仅可以有效地模拟真实工况下的车轮运行情况，而且能更加深入地理解和掌握车轮在各种工况下的疲劳性能。

二、铝合金车轮的特性和应用铝合金车轮因其轻量化、耐腐蚀性等特性，被广泛应用于现代汽车制造中。

其独特的物理和化学性质使得它成为汽车零部件制造的理想材料。

然而，由于使用环境复杂多变，铝合金车轮在长期使用过程中可能会产生疲劳损伤，甚至出现断裂等严重问题。

因此，对铝合金车轮的疲劳性能进行深入研究，对于提高其使用寿命和保证行车安全具有重要意义。

三、双轴疲劳试验及其数值模拟方法双轴疲劳试验是一种通过模拟车轮在实际行驶过程中所受的力，来评估车轮力学性能的试验方法。

这种方法能够真实地反映车轮在各种工况下的工作状态，包括纵向和横向的应力、应变等。

而数值模拟则可以通过建立精确的数学模型，对双轴疲劳试验进行模拟和预测。

本文采用有限元法进行数值模拟。

首先，根据铝合金车轮的实际尺寸和结构，建立精确的三维模型。

然后，通过设定合理的材料属性、边界条件和载荷条件，对模型进行网格划分和求解。

最后，通过后处理程序对结果进行分析和可视化，从而得到车轮在双轴疲劳试验中的应力、应变等数据。

四、铝合金车轮双轴疲劳试验数值模拟研究在本研究中，我们通过数值模拟的方法，对铝合金车轮进行了双轴疲劳试验的模拟。

我们首先设定了多种不同的工况，包括不同的载荷、速度和温度等条件。

然后，通过有限元法对这些工况下的车轮进行了详细的模拟和分析。

我们的研究结果显示，铝合金车轮在双轴疲劳试验中，其应力、应变等数据呈现出明显的规律性。

铝镁合金断裂三维裂纹扩展数值模拟何自璋;朱永国;孙士平;沈小龙【摘要】建立了铝镁舍金在细观尺度下局部区域有多个孔洞(缺陷)的有限元分析模型,采用带有应力三轴度的断裂准则,进行裂纹扩展模拟.模拟结果表明:因为孔洞的存在,初始拉伸阶段就出现了应力集中,应力较大点上的应变会增加很快,导致应力集中带变得越来越窄:随着加载不断的加强,微小裂纹开始产生,小段裂纹开始在外侧两个孔洞边缘形成;随着载荷不断增加,孔洞之间的小段裂纹已经扩展到与孔洞相接,形成了一条大裂纹.通过对不同温度下的裂纹扩展过程进行模拟,分析后得出:随着温度的升高,裂纹扩展的速率减小.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2014(052)008【总页数】4页(P60-63)【关键词】铝镁合金;均匀化方法;有限元;三维;裂纹扩展【作者】何自璋;朱永国;孙士平;沈小龙【作者单位】南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063;南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063;南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063;南昌航空大学航空制造工程学院南昌330063【正文语种】中文【中图分类】TH122铝镁合金板质坚量轻、密度低、散热性较好、抗压性较强，能充分满足3C产品高度集成化、轻薄化、微型化、抗摔撞及电磁屏蔽和散热的要求，其硬度是传统塑料机壳的数倍，但质量仅为后者的三分之一，已越来越多地运用到航空、航天、汽车、机械制造、船舶、建筑及化学等很多行业。

随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝及其合金的需求日益增多，性能要求也越来越高。

然而，不管是什么样的材料始终都会存在一定的缺陷，在这一点上铝镁合金也是不可避免的，因此，因材料缺陷的存在而导致低应力下的材料失效以及断裂也是特别常见的［1-3］。

大量的实践证明，材料在使用过程中都会产生微小的裂纹，从而导致材料强度、刚度等一些性能的下降，那些微小的裂纹在积累到一定程度时就会形成扩展裂纹，以至于造成材料的破坏，甚至发生断裂。

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。

铝合金破裂韧性的数值模拟分析研究铝合金是一种轻量化材料，具有优良的强度和韧性，在航空、汽车、铁路等行业得到广泛应用。

然而，铝合金在使用过程中常常会受到各种外界力的影响，从而导致破裂。

为了提高铝合金的破裂韧性，很多研究者通过数值模拟的方法进行了分析研究。

本文将从材料的本质、数值模拟方法、韧性指标等方面进行探讨，以期能有助于提高铝合金的破裂韧性。

一、铝合金材料的本质铝合金是以铝为基础，加入其他金属元素形成的一种合金材料。

铝具有轻质、强度高、导热性好等优良的性质，但是它本身的强度是不够高的。

因此，铝合金加入其他金属元素，如铜、锌、镁、锆等，能够显著提高其强度和耐腐蚀性。

铝合金的本质是其晶体结构的稳定性和成分的均匀性。

稳定的晶体结构使得铝合金具有优异的力学性能和耐久性能。

而成分的均匀性则决定了铝合金的物理性能。

因此，铝合金的制造过程和质量控制是保证其强度和韧性的关键。

二、铝合金的破裂韧性铝合金在受到外力作用时，通常会在一定程度上发生变形。

当其受到更大的外力时，就会发生破裂。

对于一个材料来说，其破裂韧性指标的高低反映了它在受到外力作用时克服破裂力的能力。

铝合金的破裂韧性可以通过数值模拟的方法进行分析研究。

数值模拟是一种通过计算机模拟物理问题的方法，可以有效地评估铝合金的破裂韧性。

通过数值模拟，可以得出铝合金在外力作用下的变形和断裂过程，进而分析其破裂韧性和强度。

三、数值模拟方法目前，常用的数值模拟方法包括有限元法（FEA）、分子动力学模拟（MD）等。

这两种方法都可以用来分析铝合金的破裂韧性。

有限元法是一种经典的数值模拟方法，适用于分析大量离散力学问题，其基本思想是将物体划分成几何上互不重叠的有限个元素，对每个元素做近似的力学分析，通过组装整体刚度矩阵，解出整个结构的位移和应力分布。

有限元法具有计算精度高、可处理复杂结构等优点。

分子动力学模拟是将模拟对象划分成许多小分子进行模拟，从而得出相应的物理性质。

与有限元法不同，分子动力学方法可以直接探究材料内部的原子运动规律，更适用于分析材料的微观结构和性质。

基于有限元仿真腐蚀疲劳试验方案研究■ 丰世林 李 浩（中国民用航空飞行学院航空工程学院）摘 要：当前很多研究做了各种有关腐蚀介质对铝合金疲劳寿命影响的试验。

发现很多环境都会加速疲劳裂纹的扩展。

考虑到腐蚀和疲劳的相互作用影响，两者并不仅仅是简单的先后作用关系，同时目前主流试验方案都有需要完善的方面，因此本课题提出一种优于现存腐蚀研究的试验方案：“腐蚀-腐蚀疲劳循环试验”，可以较为全面的实现飞机的飞-续-飞和疲劳预腐蚀同时作用的实际工况，更加完善腐蚀与疲劳的试验方法，并设计一种基于有限元仿真的寿命预测方法。

关键词：航空铝合金，腐蚀疲劳试验，预腐蚀疲劳试验，有限元仿真DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2021.08.044Study on Corrosion Fatigue Test Scheme Based on Finite ElementSimulationFENG Shi-lin LI Hao(Aviation Engineer Institute, the Civil Flight University of China）Abstract: Many studies have been conducted on the influence of corrosion media on the fatigue life of aluminum alloys. Many environments are found to accelerate fatigue crack growth. Considering the interaction of corrosion and fatigue, this paper proposed a testing scheme that is superior to the existing corrosion research, “erosion - corrosion fatigue cycle”. This method enables the simultaneous operation of more comprehensive aircraft fly - continue to fly and pre-corrosion fatigue test. It optimizes corrosion and fatigue test method, and provides lifecycle prediction method based on finite element simulation. Keywords: aerospace aluminum alloy, corrosion fatigue test, pre-corrosion fatigue test, finite element simulation2024航空铝合金具有较好的性能，凭借制造与维修检测的优势，这种材料在飞机蒙皮、机翼等构成中十分常见。

疲劳裂纹闭合的数值模拟方法疲劳裂纹是结构材料中常见的缺陷，它们会损害结构的力学性能，给航空航天结构安全带来很大的风险。

因此，研究疲劳裂纹闭合的数值模拟方法对于评估疲劳裂纹对结构安全的影响具有重要意义。

在过去几十年中，研究者们发展了多种疲劳裂纹闭合的数值模拟方法。

这些模拟方法大多被应用于精确建模和预报疲劳裂纹闭合的性能。

其中，有较早的有限元法，以及最近比较流行的原子分子力学方法（AMF）、蒙特卡罗（MC）方法和有限元-蒙特卡罗（FEM-MC）混合方法。

有限元法是用于分析和模拟受力状态复杂的结构问题的有效工具。

研究表明，有限元法可以有效地用于模拟疲劳裂纹的形状、尺寸和闭合过程，保证计算的准确性和实时性。

除此之外，有限元法也可以用来模拟裂纹对材料的微观影响，以便更全面地理解裂纹的形成和发展的机理。

AMF方法是一种基于原子力学的数值模拟方法，可以用来研究材料的结构和性质。

它所采用的模型可以提供与实际材料物理结构相当准确的模型，可以充分考虑裂纹的退化历史和微观特性。

MC方法和FEM-MC混合方法主要是基于概率和蒙特卡罗模拟来模拟材料中裂纹闭合过程。

这种方法可以考虑复杂环境下裂纹的影响因素，如应力、温度、材料性质以及闭合过程中的变形、塑性变形等，从而更准确地预测裂纹的开启和关闭情况。

就目前而言，一些研究表明，疲劳裂纹闭合的数值模拟方法在确定疲劳裂纹的发展过程和衰减情况方面取得了显著的成果，因此在应用中得到了广泛的应用。

但人们仍然认为，目前模拟方法存在一些限制，如模型简化和收敛性等，这些限制会限制该技术在实际应用中的发挥。

因此，研究疲劳裂纹闭合的数值模拟方法对于评估疲劳裂纹对结构安全的影响具有重要意义。

未来，有必要在模型复杂性、收敛性和计算效率方面继续进行改进，使疲劳裂纹闭合的模拟能更好地满足实际应用要求。

总之，研究疲劳裂纹闭合的数值模拟方法具有重要的实用价值，有助于更好地了解和研究疲劳裂纹对结构力学性能的影响。

热腐蚀疲劳裂纹扩展有限元模拟概述说明以及解释1. 引言1.1 概述热腐蚀疲劳是金属材料在高温和腐蚀环境中长期使用过程中发生的一种疲劳现象。

在这种条件下，材料会受到复杂的力学、化学和热耦合作用，导致裂纹的产生和扩展。

因此，对于热腐蚀疲劳和裂纹扩展机制进行深入的研究具有重要意义。

1.2 文章结构本文将分为三个部分进行讨论，首先会对热腐蚀疲劳进行概述说明，包括其产生原因、影响因素等内容；然后将解释裂纹扩展机制，阐述不同环境条件下裂纹扩展行为的特点；最后介绍有限元模拟在热腐蚀疲劳中的应用，并探讨其优缺点以及未来发展方向。

1.3 目的本文旨在全面了解和阐述热腐蚀疲劳、裂纹扩展机制以及有限元模拟在该领域中的应用。

通过对已有文献和实验结果的综合分析，探讨热腐蚀疲劳对材料性能和工程结构寿命的影响，并为相关领域的进一步研究提供参考和展望。

2. 正文:2.1 热腐蚀疲劳概述说明:热腐蚀疲劳是指在高温和腐蚀介质中，材料发生的由于循环载荷引起的疲劳断裂现象。

它是一种常见的工程问题，广泛存在于航空、能源等领域。

热腐蚀疲劳具有复杂的损伤机制，包括氧化、腐蚀、应力诱导等多个因素相互作用所导致的材料失效。

2.2 裂纹扩展机制解释:裂纹扩展是热腐蚀疲劳过程中的一项重要现象。

在循环载荷作用下，由于应力集中或缺陷存在，材料表面产生微小裂纹。

随着时间和循环次数的增加，这些微小裂纹会逐渐扩展并相互连通，最终导致材料失效。

裂纹扩展受到多个因素影响，如应力水平、温度、腐蚀介质以及材料本身的力学性能等。

2.3 有限元模拟在热腐蚀疲劳中的应用:有限元模拟是一种常用的工程分析方法，可以应用于热腐蚀疲劳相关问题的研究。

通过建立适当的数学模型、物理方程和边界条件，有限元模拟可以在计算机上模拟材料在不同工况下的响应行为。

在热腐蚀疲劳中，有限元模拟可以用来预测材料的失效寿命、裂纹扩展速率以及评估其结构的可靠性。

有限元模拟在热腐蚀疲劳中的应用主要包括以下几个方面：首先，通过建立材料力学性能及裂纹扩展规律等方面的数学模型，可以使用有限元模拟来预测热腐蚀疲劳过程中裂纹扩展的发展趋势和速率。

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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。

基于有限元法的表面疲劳裂纹扩展模拟徐杰;周迅;陈文华;李维国【期刊名称】《浙江理工大学学报》【年(卷),期】2012(029)001【摘要】基于有限元法模拟了受远场拉伸和弯曲载荷有限厚度平板的表面疲劳裂纹扩展.裂纹体网格由等参奇异单元构成,裂纹体和非裂纹体之间采用多点约束连接不匹配的节点；采用1/4节点位移法计算应力强度因子,根据Paris公式计算裂纹扩展增量,三次样条插值函数描述裂纹前沿;自编软件实时跟踪裂纹扩展.计算得到的应力强度因子与Newman和Raju的经验公式结果比较,符合良好.%Fatigue crack growth of surface crack in plates under remote tension and bending load is simulated by finite element method. The cracked part is meshed by isoparametric 20-node singular element. Multi-point constrain(MPC) is used to connect unmatched nodes between the cracked part and un-cracked part. Stress intesity factor(SIF) is caculated by 1/4-point displacement method in this paper and the crack growth increment is caculated by Paris law. A new crack front is described using a cubic spline. The crack growth is followed by procedure step by step. A good agreement is obtained between Newman and Raju's empirical SIF and present numerical SIF.【总页数】4页(P66-69)【作者】徐杰;周迅;陈文华;李维国【作者单位】浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州310018;浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州310018;浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州310018;浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TG113【相关文献】1.基于改进McEvily模型的深海结构表面裂纹疲劳扩展模拟 [J], 罗广恩;崔维成2.基于改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型的表面裂纹扩展规律预报 [J], 王芳;崔维成;黄小平3.基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁裂纹扩展的数值模拟 [J], 夏雨;周诗博;龙嘉欣;李靖4.扩展有限元法在疲劳裂纹扩展模拟中的应用 [J], 张芮晨5.基于三维断裂理论的DX 001有机玻璃表面裂纹疲劳扩展模拟与实验研究 [J], 戴美想;李业媛;俞哲;于培师因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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。

基于有限元模拟的装配件疲劳裂纹扩展预测在工程设计和制造中，装配件的疲劳裂纹扩展是一个非常严重的问题。

装配件的疲劳裂纹扩展会直接影响装配件的使用寿命，甚至导致装配件突然失效，造成人身和财产的严重损失。

因此，为了保证装配件的安全可靠使用，需要对装配件的疲劳裂纹扩展进行预测和分析，及时发现并采取措施修复或更换装配件。

为了对装配件的疲劳裂纹扩展进行预测和分析，一种常用的方法是基于有限元模拟。

有限元模拟可以通过数学模型对装配件的应力和应变进行计算和分析，并预测装配件在长期使用过程中可能出现的疲劳裂纹扩展情况。

有限元模拟具有高精度、高效率、低成本等优点，因此在工程设计和制造中得到了广泛应用。

有限元模拟的装配件疲劳裂纹扩展预测分为以下几个步骤：第一步，构建有限元模型。

有限元模型的构建是装配件疲劳裂纹扩展预测的基础。

在构建有限元模型时，需要确定装配件的几何形状、材料性质、边界条件等参数，同时还需要考虑装配件所受到的外界载荷和环境因素对裂纹扩展的影响。

第二步，进行应力分析。

在有限元模拟中，应力分析是非常重要的一环。

应力分析可以计算装配件在不同载荷作用下的应力情况，为后续的疲劳裂纹扩展预测提供基础数据。

同时，应力分析也可以确定装配件的应力集中部位，帮助工程师优化设计和材料选择。

第三步，进行损伤累积分析。

损伤累积分析可以预测装配件疲劳裂纹扩展的情况。

在有限元模拟中，损伤累积分析通常使用能量积分法，对装配件的裂纹端部损伤积累进行计算和分析，以预测装配件在长期使用过程中可能出现的疲劳裂纹扩展情况。

第四步，进行疲劳寿命预测。

通过以上三个步骤的分析和计算，可以预测装配件的疲劳寿命。

疲劳寿命预测是工程设计和制造中非常重要的一环，它能够帮助工程师确定合理的使用寿命，优化装配件的设计和材料选择，以及指导后续的检测、维护和修复工作。

总之，基于有限元模拟的装配件疲劳裂纹扩展预测是一种非常有效的方法。

它可以帮助工程师预测装配件长期使用过程中可能出现的裂纹扩展情况，提高装配件的可靠性和安全性。