任意三维裂纹扩展分析
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三维裂纹扩展数值预报方法研究
三维裂纹扩展数值预报方法研究三维裂纹扩展数值预报方法是对裂纹扩展过程进行模拟和预测的一种重要研究内容。
裂纹扩展是材料疲劳、断裂等失效过程中的关键问题，对于材料的寿命预测和安全评估具有重要意义。
通过建立合适的数学模型和数值方法，可以准确地模拟和预测裂纹扩展过程，为工程实践提供技术支持。
在三维裂纹扩展数值预报方法研究中，需要考虑裂纹的形态、尺寸和扩展路径等因素，以更准确地模拟裂纹扩展过程。
目前，常用的三维裂纹扩展数值方法包括有限元方法、扩展有限元方法、位错力学方法等。
这些方法可以根据裂纹扩展的特性和材料本身的力学性质，来模拟裂纹的扩展行为和预测裂纹的发展方向。
有限元方法是一种常用的三维裂纹扩展数值预报方法，通过建立材料和结构的有限元模型，可以对裂纹扩展过程进行精确的模拟。
例如，采用XFEM（扩展有限元法）可以在有限元网格上自动插入和拓展裂纹，实现对裂纹扩展路径和形态的准确模拟。
此外，位错力学方法可以通过模拟晶格位错的运动和相互作用，来研究裂纹扩展时的位错活动和应变能释放过程。
除了数值方法，还需要考虑裂纹扩展数值预报方法的验证和应用。
针对不同材料和加载条件，需要进行实验验证和案例分析，来验证数值模拟的准确性和可靠性。
同时，将三维裂纹扩展数值预报方法应用于实际工程问题中，可以为材料设计和结构安全评估提供重要参考。
总的来说，三维裂纹扩展数值预报方法是一个重要的研究领域，对于材料科学和工程实践具有重要意义。
通过不断的理论研究和技术创新，可以提高裂纹扩展数值预报方法的准确性和可靠性，为实际工程问题的解决提供技术支持。
希望未来能够进一步深入研究三维裂纹扩展数值预报方法，推动材料科学和工程技术的发展。
FRANC3DV4微动疲劳、三维裂纹扩展和损伤容限分析软件
FRANC3D V7.4微动疲劳、三维裂纹扩展和损伤容限分析软件新一代FRANC3D（FRacture ANalysis Code for 3D）是美国FAC公司开发的新一代裂纹分析软件，用来计算微动疲劳裂纹萌生寿命（包括裂纹萌生位置和起裂方向）以及工程结构在任意复杂的几何形状、载荷条件和裂纹形态下的三维裂纹扩展和寿命。
FAC公司(Fracture Analysis Consultants, Inc.)成立于1988年，起源于国际权威的断裂力学研究机构-康奈尔大学断裂工作组，与美国军方和政府组织长期进行项目合作研究和软件联合开发。
FRANC3D是由FAC公司联合美国空军研究实验室（AFRL）、NASA马歇尔太空飞行中心、美国海军航空系统司令部(NAVAIR）及波音、普惠等公司开发的新一代裂纹分析软件，是目前全球最专业、最流行的任意三维裂纹扩展分析与损伤容限评估软件。
FRANC3D的工作流程FRANC3D采用有限元法计算断裂力学参数和任意三维裂纹扩展，与ANSYS、ABAQUS、NASTRAN 等有接口。
其工作流程如下图所示：FRANC3D的工作流程FRANC3D的功能及特点参数化裂纹库FRANC3D具备参数化裂纹库，可引入任意形状的初始裂纹：●零体积缺陷（裂纹）✓椭圆形/圆形裂纹（包括埋藏裂纹）✓穿透型单裂纹前缘裂纹✓穿透型双裂纹前缘裂纹✓长条形浅表裂纹✓圆形周向裂纹（内环、外环）✓跑道型裂纹✓用户自定义平面/近似平面内任意形状裂纹✓用户自定义空间非平面任意三维裂纹●空腔（模拟材料中的气孔、夹渣、缩孔、缩松等）●引入多重裂纹●从外部文件读入裂纹数据自适应网格划分FRANC3D采用自适应网格重新划分技术来引入和更新三维裂纹网格，并采用网格划分模板保证裂纹尖端高质量的网格，是公认的同类软件中计算精度最高的断裂力学软件。
裂纹尖端高质量的网格裂纹尖端使用1/4节点的奇异单元裂纹尖端局部网格对称来减少离散误差裂纹区域网格自动细化以保证足够的精度裂纹面划分粗大的网格以减少单元数量利用M-积分计算断裂力学参数FRANC3D默认采用M-积分来计算应力强度因子，分可分别计算出各向同性和各向异性材料中KI、KII、KIII的结果，能考虑温度、裂纹面接触、裂纹面牵引及残余应力等因素的影响。
基于裂纹闭合模型的三维裂纹疲劳扩展分析
根据模拟的结果发现,随着拉弯载荷中弯曲载荷所占比例的上升, 表面裂纹在深度方向和表面方向上的扩展速度下降,疲劳裂纹扩 展寿命上升,当表面裂纹穿透平板厚度时,裂纹的最终长度上升。 对于特定的拉弯组合载荷,不同初始形状比的半椭圆表面裂纹的 最终形状比均趋于一个固定值,这与纯弯曲载荷下得到的结果一 致。
基于裂纹闭合模型的三维裂纹疲劳扩 展分析
航空结构中存在大量的三维形式裂纹,如角裂纹,表面裂纹等。 对含有三维裂纹的结构进行疲劳裂纹扩展分析和疲劳寿命预测 在飞机结构损伤容限设计中至关重要。
然而,谱载荷下三维裂纹的疲劳扩展及寿命预测至今未能得到很 好的解决,原因在于用于进行疲劳扩展分析以及寿命预测的材料 疲劳性能参数均是根据标准疲劳实验数据获得的,而实际三维裂 纹尖端的三维应力状态不同于标准试验件中穿透裂纹尖端的应 力状态,因此现有的材料疲劳性能数据不能直接应用于三维裂纹 疲劳扩展及疲劳寿命分析。因此,本文基于三维疲劳断裂理论, 对三维疲劳裂纹扩展做了以下工作:1.基于有限元软件ABAQUS计 算了含穿透直裂纹有限宽度平板裂尖的应力强度因子,并得到了 裂尖应力强小,大大方便了在实际工程 结构中使用该模型。三维条带屈服模型考虑裂纹闭合效应,同时 能够考虑载荷间的相互影响,因此能够用于计算变幅载荷或谱载 荷下裂纹的疲劳扩展。
3.基于三维条带屈服模型提出了一个三维裂纹扩展模型,分析了 纯弯曲载荷下半椭圆表面裂纹的疲劳扩展和扩展过程中裂纹形 状演化规律,并将该结果与试验结果进行了对比。分析发现尽管 表面裂纹的初始形状比不同,但在裂纹扩展过程中裂纹的形状比 趋于一个固定值,且纯弯曲载荷和拉伸载荷下都存在该现象。
4.根据第四章提出的三维裂纹扩展模型,分析了不同初始形状比 的半椭圆表面裂纹在不同拉弯组合载荷作用下的疲劳扩展行为, 并预测了相应的疲劳裂纹扩展寿命。将基于三维裂纹扩展模型 模拟得到的半椭圆表面裂纹在纯弯曲和纯拉伸载荷下的扩展行 为和已有文献中的试验结果进行了对比,两者吻合较好,说明了 该模型能够有效预测拉伸、弯曲以及拉弯组合载荷下半椭圆表 面裂纹的疲劳扩展行为。
裂隙岩体三维裂纹动态扩展规律与破断机制
裂隙岩体三维裂纹动态扩展规律与破断机制裂隙岩体是一种由裂隙网络构成的岩体，裂隙在岩体的形成过程中起着重要的作用。
裂纹动态扩展规律和破断机制是研究裂隙岩体力学行为的关键点，对于地质灾害的预测和防治具有重要意义。
本文将从裂纹动态扩展规律和破断机制两个方面进行探讨。
裂纹动态扩展规律是指在外界作用下，裂纹在岩体中发展和扩展的规律。
一般来说，裂纹动态扩展规律可以分为线性和非线性两种情况。
在线性规律下，裂纹的扩展速度与应力强度因子呈线性关系，即扩展速度正比于应力强度因子。
而在非线性规律下，裂纹的扩展速度与应力强度因子不再呈线性关系，而是随着应力强度因子的增大而增大。
裂纹的动态扩展规律受到多种因素的影响，如岩性、裂隙类型和应力状态等。
其中，岩体的质地和裂隙的形态是决定裂纹动态扩展规律的重要因素之一。
此外，裂纹动态扩展还与岩体的环境条件有关，如温度、湿度等。
这些因素的综合作用决定了裂纹的扩展速度和方向。
破断机制是指在裂纹动态扩展过程中，岩体受到应力作用下的破坏机理。
破断机制可以分为韧性破断和脆性破断两种情况。
在韧性破断中，岩体具有一定的延性，即在受到应力作用下能够发生可逆变形。
而在脆性破断中，岩体则具有较低的延性，受到应力作用后很快发生不可逆变形并形成破碎。
破断机制的选择与岩体的物质性质和应力条件有关。
例如，在高温高压条件下，岩体的韧性破断机制更为显著，而在低温低压条件下，岩体的脆性破断机制则更加明显。
除此之外，破断机制还与裂隙的性质有关。
当裂隙的密度较大，且分布较均匀时，岩体更容易发生脆性破断。
裂纹动态扩展规律和破断机制研究的意义不仅在于理解岩体力学行为的基本规律，还可为工程实践提供理论支持和技术指导。
通过研究裂纹动态扩展规律，可以预测岩体在不同应力状态下的破坏行为，进而为地质工程的设计和施工提供依据。
同时，通过研究破断机制，可以针对岩体的特点开发出相应的防治措施，减少地质灾害的发生。
总之，裂隙岩体裂纹动态扩展规律和破断机制的研究对于理解岩体的力学行为、预测和防治地质灾害具有重要意义。
三维重建技术下的裂缝分析
三维重建技术下的裂缝分析三维重建技术是一种先进的技术手段，它能够通过计算机图形学、图像处理、计算机视觉等技术，将二维图像数据转化为三维模型。
在土木工程、地质勘探、文物保护等领域，三维重建技术的应用越来越广泛。
本文将探讨三维重建技术在裂缝分析方面的应用，分析其重要性、挑战以及实现途径。
一、三维重建技术概述三维重建技术是将现实世界中的物体或场景通过计算机技术转化为三维模型的过程。
这项技术能够提供更加直观、详细的信息，对于裂缝等微小缺陷的分析具有重要意义。
三维重建技术的核心包括以下几个方面：1.1 技术原理三维重建技术基于对物体表面形状的捕捉和分析，通过多视角图像的采集和处理，重建出物体的三维表面。
这一过程涉及到立体视觉、结构光扫描、激光扫描等多种技术手段。
1.2 技术流程三维重建技术的基本流程包括数据采集、预处理、特征提取、匹配与融合、三维建模等步骤。
数据采集是基础，需要从不同角度拍摄物体的图像；预处理包括图像去噪、校正等；特征提取和匹配是关键，需要识别图像中的共同特征并进行匹配；融合和三维建模则是将二维信息转化为三维模型。
1.3 技术应用三维重建技术在裂缝分析中的应用主要体现在以下几个方面：- 裂缝识别：通过三维模型的生成，可以直观地识别出物体表面的裂缝。
- 裂缝测量：三维模型可以提供裂缝的长度、宽度等精确数据。
- 裂缝发展趋势分析：通过对比不同时间点的三维模型，可以分析裂缝的发展变化趋势。
二、裂缝分析的重要性与挑战裂缝分析是土木工程、地质勘探等领域中的一项重要工作。
裂缝的存在和发展可能会对结构的稳定性和安全性造成影响。
三维重建技术在裂缝分析中的应用，可以提高分析的准确性和效率。
2.1 裂缝分析的重要性裂缝分析的重要性主要体现在以下几个方面：- 结构安全评估：通过裂缝分析，可以评估结构的安全性，预防潜在的安全事故。
- 维护与修复决策：裂缝分析可以为结构的维护和修复提供依据。
- 长期监测：裂缝分析可以用于长期监测结构的状态变化。
任意三维裂纹扩展分析
任意三维疲劳裂纹扩展分析1.前言在工程实际中，真实的构造总是存在众多缺陷或裂纹，对于一个含裂纹或缺陷的构件，多在其服役荷载远低于容许强度的情况下就发生了破坏。
实际工程构造在经受长时间多因素综合作用下，产生变形、裂纹等缺陷，从而导致整个构造的失效。
构造的失效主要由疲劳引起，其最终失效形式即为断裂，有大约80%以上的工程构造的断裂与疲劳有关，由疲劳引起的巨大经济损失及灾难性的后果不胜枚举。
我们通常不能仅仅因为某个构件出现了裂纹就简单的认为该构件不平安或不可靠，尤其是对于大型设备的重要构件，因为这将使企业消耗高昂的本钱。
对于出现的裂纹，以往多采用以下几种处理方法：一是对出现裂纹的构件进展更换，这对于含裂纹但仍能工作的构件是一个巨大的浪费。
二是强行停顿使用进展维修，这样会带来巨大的经济损失；三是冒险继续使用，但这样会带来巨大风险，甚至会造成人员伤亡。
所以，人们更想知道，出现的裂纹是否会在既定载荷〔包括疲劳载荷在内的任意载荷〕下扩展成不平安或失效的临界尺寸，因此，出现了疲劳裂纹扩展分析。
疲劳裂纹扩展分析是采用断裂力学的理论和方法对含裂纹等缺陷构件的失效过程进展分析，以评估产品的平安性和可靠性，可以进展损伤容限评估和剩余寿命预测等，已经在化工机械、飞行器、核工业等各个工程领域得到了广泛应用，并得到了世界各国政府及学术机构的重视。
2.疲劳裂纹扩展分析软件在工程实践中，疲劳裂纹扩展分析已成为评估产品性能、改进产品设计和提高服役寿命的一个重要工具。
目前，疲劳裂纹扩展分析主要有解析法和数值法这样两种方法，下面分别介绍这两种方法。
1〕解析法解析法主要依据相应的标准和经历公式，将复杂的三维问题简化为二维问题，并对复杂的裂纹形状和荷载状态进展简化，然后用经历的方法对裂纹平安性进展评估。
但对于大量构造复杂的工程实际问题却无能为力，况且其简化后的分析准确度及是否真实逼近服役情况也值得探讨。
目前，工程上有几款基于解析法而开发的裂纹扩展分析软件，它们主要应用于航空标准构造的裂纹扩展分析，包括DARWIN、NASGRO、AFGROW等。
ALOF系统-新一代三维疲劳裂纹扩展分析软件
ALOF系统-新一代三维疲劳裂纹扩展分析软件ALOF全称为Analyses Laboratory of Fracture，意为一个面向疲劳断裂过程的仿真实验室。
它以断裂力学为基础，对含缺陷构件进行模拟分析，为断裂失效分析专家提供科学数据和判断。
ALOF采用目前世界上最先进的裂纹扩展计算技术(扩展有限元技术XFEM和虚节点多边形有限元法VNM)，由数位具有机械工程和计算力学专业背景的留洋博士、中外籍教授团队历时四年开发而成。
目前，ALOF软件被由洞力公司开展专业的研发、市场推广与商业化运作。
ALOF可以准确预测静载荷或疲劳载荷作用下裂纹行为，确定工程结构损伤容限，为完整性与耐久性分析提供依据，进而指导制定装备的维护方案。
2006年以来，ALOF分析的可靠性已经在广泛的工程实践和学术研究中得到了证实，为中国首款三维裂纹建模和扩展分析软件。
众所周知，3D裂纹扩展的有限元模拟一直是工程界的一个难题，其困难主要有两个。
一、裂纹扩展后物体的边界形状发生改变，必须重新建立CAD和CAE模型；二、裂纹尺寸相对较小而尖端的应力场却非常奇异，一般的网格密度无法得到可靠的结果。
个别软件虽然通过裂纹修正网格的方式实现了简单形状（结构化网格）产品的裂纹扩展，但因仅接受六面体网格，无法处理复杂形状的结构。
ALOF采用XFEM 技术和VNM两项关键技术，克服了3D裂纹扩展的两个难题，真正实现了复杂工程结构和复杂形状裂纹的全自动高效模拟计算。
ALOF是目前市场上的商业软件中，唯一一个使用了XFEM技术和VNM技术模拟裂纹扩展与预测疲劳寿命的软件。
ALOF具有强大的完全独立的可视化建模器、内核求解器以及后处理器，而且提供了与主流CAD、CAE软件的接口，不但可以进行传统的弹塑性分析，也可以进行二维、三维的裂纹扩展模拟。
ALOF的典型应用领域：高速列车核工业航空宇航国防军工能源动力化工机械工程机械船舶海洋土木结构……ALOF应用举例：任意形状的无缺陷产品预测疲劳寿命和检修周期；任意形状含缺陷产品安全性评估和剩余寿命的计算；任意工业结构及装备中裂纹尺寸进行参数化研究；确定给定寿命下的最大裂纹尺寸；确定给定裂纹张开面积（COA）下的最大裂纹尺寸；失效事故裂纹扩展过程的追溯；……模型生成：导入任意形状的CAD模型；导入任意形状的裂纹曲面；一键式生成疏密合理的二维、三维网格；导入其他CAE软件的网格和计算结果；基于ALOF专有的VNM技术，在裂纹扩展前缘自适应加密；高效的网格松弛技术，保证裂纹分析时较小的单元量；高效直观的材料、荷载建模器。
3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用
3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用现代CAE技术的发展极大地提高了航空领域复杂结构的设计的效率和技术水平。
针对适航性要求和复杂工况下飞机结构安全保障的迫切要求，损伤容限设计和耐久性设计已经需要我们在日常设计中贯彻和实施；对飞机结构进行高可靠度的3D裂纹扩展分析，显著提高飞机结构的数字化虚拟试验能力，拓展全机实验效用, 缩短型号研制周期；对在役飞机进行科学的寿命评估，定寿延寿和确定合理的检修周期等已经是我们面临的迫切问题。
本文系统地介绍了ZenCrack软件做为目前市面上唯一商用的3D裂纹扩展分析软件在上述研究方向的应用和实践效果。
1 航空领域损伤容限设计和耐久性设计现状和挑战航空工业是国家的技术前沿和骨干行业，其产品开发和制造技术水平，不仅是质量和效率的保障，更是国家实力和形象的象征。
同时，航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。
当前，数字化技术已经成为全球航空工业产品开发和生产的最有力手段和企业的核心竞争能力。
以CAE/CAD/CAM为核心的虚拟化仿真设计制造技术是现代航空数字化产品研制以及航空工业信息化的基石，也是高技术竞争的具体体现。
其中，CAE对航空产品的技术贡献尤其关键，国外已有许多成熟的CAE软件可对各种产品进行设计和多种性能的虚拟仿真，如结构力学分析(FEA)、流体力学分析(FEA)、计算流体力学分析(CFD)和计算电磁学分析(CEM)等在航空产品设计中获得了广泛的应用。
其中，和损伤容限设计和耐久性设计相关的三维裂纹扩展分析，已经在国际航空发达国家逐步实施，并且已经成为了国际适航性条例要求。
然而，国内对飞机结构三维裂纹扩展分析还存在着很大的局限性，主要表现在以下几个方面：1)目前的结构损伤容限分析和寿命预测的CAE技术仍然基于几十年前发展起来的二维断裂理论和经验方法的框架;2)缺陷常发生在几何上处理困难的部位;3)对初始裂纹的尺寸、构型和位置的准确描述;4)裂纹在扩展的动态过程中的非平面扩展; 5)数值计算需要裂纹前缘的详细描述。
陶瓷刀具原料三维微观裂纹扩展行为模拟研究
陶瓷刀具原料三维微观裂纹扩展行为模拟研究第1章绪论1.1陶瓷刀具材料的发展概况早在20世纪初期,德国人就将陶瓷材料作为切削刀具研究,1912年英国人首获AI2O3陶瓷刀具专利丨4]。
但由于当时技术条件的制约,陶瓷材料强度低、脆性大,因此并未得到推广应用。
直到20世纪50年代,陶瓷刀具才逐步发展起来,这个时期主要以纯Ab03陶瓷为主,但其断裂軔度低的缺点并没有得到解决,其使用范围仍然很小。
1970年间AhCVTiC热压复合陶瓷刀具开始投入使用,使AhCh基陶瓷刀具走出了发展的“低谷”。
这种复合AlaCb基陶瓷由于在基体中弥散了15%?20%的Tie硬质相颗粒,使材料的强度、硬度和朝度均有较大幅度的提高。
20世纪80年代后,由于颗粒弥散补强、晶须增軔、相变增朝等陶瓷材料增韦刃补强机理的不断发展,利用这些机理幵发出的二元陶瓷材料取得了很大的进展[5]。
比较典型的有Zr02相变增初AI2O3陶瓷,这种陶瓷虽然硬度略低于纯陶瓷,断裂靭度却有较大提高;SiC晶须增朝AI2O3陶瓷刀具研制成功,SiC晶须的加入使其断裂朝度提高两倍多,同时具有较高的硬度。
这些刀具被大量推向市场,极大地扩展了陶瓷刀具的应用范围。
近年来多种增初机制协同作用的多元复合陶瓷刀具材料、纳米增韧陶瓷刀具材料及涂层陶瓷刀具的出现,将陶瓷的强度和韧度又提高到一个新的水平。
这些新型刀具材料的开发涉及多学科的交叉,成为世界范围的研究热点。
21世纪先进陶瓷的三个发展趋势,这些趋势也将成为未来陶瓷刀具材料的研究方向。
1.2陶瓷刀具材料的分类目前应用于切削刀具的陶瓷材料主要分为氧化银系和氮化娃系两大体系。
添加相包括Tie、TiN、AIN、TiB2、WC、SiCp、SiCw、TaC、ZrO]、(W,Ti)C、Ti(C,N)、M02C、Zr02、B4C、ZrB2、Ti(BN)等。
除此两大体系外,还有金属陶瓷刀具及近年来出现的叠层陶瓷刀具等。
1.2.1氧化招基陶瓷刀具材料氧化绍基陶瓷刀具是以氧化招为基体,氧化绍系陶瓷刀具有较好的高温化学稳定性和耐磨性、较高的高温硬度、较低的月牙桂磨损率和低廉的价格等优点,所以目前所占的市场比例较大。
三维表面裂纹扩展轨迹与数值仿真研究
三维表面裂纹扩展轨迹与数值仿真研究
赵慧;王瀚阳
【期刊名称】《兵器装备工程学报》
【年(卷),期】2024(45)3
【摘要】针对三维表面裂纹扩展形态和轨迹难以预测的特点,基于ANSYS有限元分析软件,利用三维裂纹扩展仿真方法,开发三维裂纹扩展程序,研究典型的三维表面单裂纹与三维非等大共面表面双裂纹扩展轨迹,实现了任意三维多裂纹扩展轨迹的数值模拟。
主要研究内容与结论如下:针对三维表面单裂纹模型,当初始裂纹形状
c/a>1时,最深处的应力强度因子值大于自由表面处应力强度因子值,随着裂纹的不断扩展,前缘会渐渐趋于稳定的圆形。
而对于三维非等大共面表面双裂纹,较大的裂纹扩展速率大于较小的裂纹。
开始时2条裂纹均沿光滑的样条曲线扩展,后来受到另一条裂纹的影响,在彼此接近处,由于应力放大作用,此部位的应力强度因子变大,扩展速率也会高于裂纹前缘其他部位。
【总页数】11页(P57-67)
【作者】赵慧;王瀚阳
【作者单位】西安航空学院飞行器学院;西北工业大学航空学院
【正文语种】中文
【中图分类】V215.6;V231
【相关文献】
1.三维含表面裂隙岩体裂纹扩展数值模拟研究
2.三维斜置半圆形表面裂纹扩展数值模拟
3.三维裂纹扩展轨迹的边界元数值模拟
4.岩石三维表面裂纹扩展机理数值模拟研究
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任意三维疲劳裂纹扩展分析1.前言在工程实际中，真实的结构总是存在众多缺陷或裂纹，对于一个含裂纹或缺陷的构件，多在其服役荷载远低于容许强度的情况下就发生了破坏。
实际工程结构在经受长时间多因素综合作用下，产生变形、裂纹等缺陷，从而导致整个结构的失效。
结构的失效主要由疲劳引起，其最终失效形式即为断裂，有大约80%以上的工程结构的断裂与疲劳有关，由疲劳引起的巨大经济损失及灾难性的后果不胜枚举。
我们通常不能仅仅因为某个构件出现了裂纹就简单的认为该构件不安全或不可靠，尤其是对于大型设备的重要构件，因为这将使企业耗费高昂的成本。
对于出现的裂纹，以往多采用以下几种处理办法：一是对出现裂纹的构件进行更换，这对于含裂纹但仍能工作的构件是一个巨大的浪费。
二是强行停止使用进行维修，这样会带来巨大的经济损失；三是冒险继续使用，但这样会带来巨大风险，甚至会造成人员伤亡。
所以，人们更想知道，出现的裂纹是否会在既定载荷（包括疲劳载荷在的任意载荷）下扩展成不安全或失效的临界尺寸，因此，出现了疲劳裂纹扩展分析。
疲劳裂纹扩展分析是采用断裂力学的理论和方法对含裂纹等缺陷构件的失效过程进行分析，以评估产品的安全性和可靠性，可以进行损伤容限评估和剩余寿命预测等，已经在化工机械、飞行器、核工业等各个工程领域得到了广泛应用，并得到了世界各国政府及学术机构的重视。
2.疲劳裂纹扩展分析软件在工程实践中，疲劳裂纹扩展分析已成为评估产品性能、改良产品设计和提高服役寿命的一个重要工具。
目前，疲劳裂纹扩展分析主要有解析法和数值法这样两种方法，下面分别介绍这两种方法。
1）解析法解析法主要依据相应的规和经验公式，将复杂的三维问题简化为二维问题，并对复杂的裂纹形状和荷载状态进行简化，然后用经验的方法对裂纹安全性进行评估。
但对于大量结构复杂的工程实际问题却无能为力，况且其简化后的分析准确度及是否真实逼近服役情况也值得探讨。
目前，工程上有几款基于解析法而开发的裂纹扩展分析软件，它们主要应用于航空标准结构的裂纹扩展分析，包括DARWIN、NASGRO、AFGROW等。
这些软件嵌了航空结构多种形式的标准裂纹库，通过修改相应的模型尺寸、边界条件、载荷、裂纹位置和尺寸等参数即可根据含的公式或插表快速得出断裂力学结果，用来计算或查找标准航空结构中给定裂纹尺寸、载荷和形状的应力强度因子，仅能计算裂纹库里已有的裂纹模型的应力强度因子，并且适用于相对简单的几何和载荷，往往忽略真实的条件，如温度、非平面裂纹、复杂形状的裂纹、几何形状复杂的部件、部件之间的接触、残余应力和局部应力集中等。
如要获得较为准确的结果，需要利用实验数据或其它方法对计算结果进行修正，但修正系数的取值往往很难确定，要靠经验来判断，并不具备求解复杂结构中三维裂纹扩展的能力。
2）数值法近年来，随着有限元软件的发展，基于数值法的裂纹扩展分析软件已成功应用于解决工程实际问题。
市场上已有几款用于裂纹扩展分析的商用软件，它对含裂纹等缺陷产品进行计算机仿真，模拟产品的失效过程，由于计算精度高，使用方便，在工程应用上使用较为广泛。
裂纹扩展分析软件是疲劳裂纹扩展分析的一个强有力工具，在工业设计和设备安全性评估中有着重要的地位和作用，有着巨大的市场和广阔的发展前景。
其主流发展方向是基于有限元法的三维裂纹扩展分析软件，包括基于扩展有限元法（XFEM）的ABAQUS、采用自适应网格划分的新一代FRANC3D、使用Crack-Block技术的Zencrack及等。
ABAQUS XFEM、新一代FRANC3D和Zencrack分别代表了三种裂纹网格建模技术，其中，Zencrack软件由于没有自己的用户界面，使得易用性受到很大限制，其采用的Crack-Block技术并不能保证网格的质量，在复杂三维结构中的裂纹网格更新往往不能实现，因此，本文主要基于前两种软件来做探讨。
3.三维疲劳裂纹扩展分析的关键要素在工程应用上，几乎所有的裂纹扩展都是三维的，使用数值方法计算三维裂纹扩展有许多困难和不确定性因素，其中有两个要素必须具备：1）精确计算三维裂纹前缘的应力强度因子2）根据裂纹在三维空间扩展的判据计算裂纹扩展寿命任何裂纹扩展分析都必须基于断裂力学参数的计算和使用，而疲劳裂纹扩展寿命对应力强度因子等断裂力学参数较敏感，有一个公认的法则，即一个应力强度因子(SIF)25%的偏差，将会成倍增加(或减少)裂纹扩展的寿命。
因此，如何获得精确的应力强度因子的结果，成为考虑损伤容限和剩余强度等现代设计的重要输入条件。
对于疲劳裂纹扩展寿命预测，通常需要两步来进行。
首先，计算裂纹尺寸和应力强度因子之间的关系；其次，利用裂纹扩展速率公式来计算裂纹尺寸和施加载荷循环次数之间的关系。
而如何获得裂纹尺寸和应力强度因子的关系曲线至关重要，这是准确计算疲劳裂纹扩展寿命的基础，而实际工程结构的裂纹扩展是空间三维的，如何合理地确定三维裂纹扩展的K vs. a关系曲线是准确计算三维裂纹扩展寿命的关键。
4.三维疲劳裂纹扩展分析的建模方法进行三维裂纹扩展分析的前提是获得精确的应力强度因子的结果（我们将精确定义为与基准/解析解的误差在1-1.5%或更小的围），而利用有限元法计算精确的应力强度因子，是比较困难的，这就对其建模和计算方法提出了更高的要求。
总体来说，计算精确的SIF的关键因素包括：在裂纹尖端植入奇异单元；在裂纹区域划分足够密的网格；使用保守的积分计算应力强度因子以及采用对称网格来减少局部离散误差等。
4.1在裂纹尖端植入奇异单元对于传统的有限元来说，这意味着在裂纹尖端布置1/4节点的奇异单元，可以是退化的20节点六面体单元（a）或15节点的楔形单元，这两类单元均可给出精确的结果。
对于扩展有限元（XFEM ），这意味着奇异附加函数： []⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ψ2cos sin ,2sin sin ,2sin ,2cos θθθθθθr4.2 裂纹区域的网格密度对于裂纹区域的网格密度，有一个通用的“经验法则”，即，如果要采用有限元法来获得精确的结果，单元的尺寸应该至少10倍小于要划分网格的特征尺寸。
对于局部裂纹区域网格划分来说这仍然是一个一般原则。
自适应网格划分方法会自动在裂纹尖端划分细化的网格，而在远离裂纹的位置使用普通结构分析中常用的网格单元尺寸，细化网格单元会过渡或“tie ”到远离裂纹的较大单元上。
在裂纹扩展过程中，自适应网格划分方法会继续沿着预测的裂纹路径来细化网格，保证裂纹区域具有足够密的网格。
传统有限元分析中的单元尺寸原则同样适用于XFEM，要想获得精确的应力强度因子结果，理想的局部裂纹区域的单元尺寸应该是至少10倍小于特征裂纹尺寸。
4.3计算应力强度因子的保守积分目前，计算应力强度因子的方法包括J-积分和M积分（也称为交互积分），这种两种方法的等效域方程是计算应力强度因子最精确的方法。
其中，J-积分适用于纯I型裂纹问题，只能计算单调加载的情况，而M-积分可分别给出各项同性和一般各向异性材料中KI, KII,和KIII 的值，比J积分更具通用性。
J积分和M积分的表达式分别为：⎰∂∂⎪⎪⎭⎫⎝⎛-∂∂=dsxqWxuJjjij11δσ⎰∂∂⎪⎪⎭⎫⎝⎛-∂∂+∂∂=dsxqWxuxuMjjijij1)2,1(1)1()2(1)2()1(δσσ新一代FRANC3D采用M-积分来计算应力强度因子，它对围绕裂纹前缘的两个单元环执行保守积分计算，积分域包括一个15节点奇异楔形单元的环和一个20节点六面体单元的外环。
FRANC3D采用的自适应网格划分，还会在裂纹前缘周围布置第三个环，由六面体单元组成，但不参与积分计算。
保守积分的等效域方程需要使用一个物理上可以被解释为虚拟裂纹扩展的加权函数。
在FRANC3D中，通过在裂纹前缘生成没有径向畸变的奇异单元来实现该加权函数的定义，而在奇异单元周围的单元环均为标准的20节点六面体单元。
4.4局部网格对称由于裂纹前缘的积分只在少量的单元中进行，因此，这些单元对离散误差是高度敏感的。
因为裂纹前缘区域是关于裂纹面对称和反对称的，将网格关于裂纹面和其垂直面进行对称将消除一些离散误差。
不幸的是，XFEM难以利用此对称来抵消离散误差，因此其计算精度要低于FRANC3D的精度。
5.任意三维裂纹扩展分析的步骤新一代FRANC3D分三个步骤来预测三维裂纹扩展：计算裂纹前缘上每个节点的局部裂纹扩展方向，或称扭转角度；计算每个节点的局部裂纹扩展距离；对扩展之后的新裂纹前缘进行光顺化处理，以减少不必要的数值“噪音”，并将裂纹前缘延伸到结构自由表面外。
5.1计算扭转角度（Kink Angle）在大多数情况下，预测裂纹的扭转角度和扩展轨迹会相对来说会非常容易，特别是对疲劳裂纹的扩展计算。
计算扭转角度有很多准则可以选择，包最大应力准则、最大能量释放率准则、局部对称准则、最小应变能密度准则等。
这些准则，包括任何倾向于最小化KII的准则，都能给出相似的并且精确的预测。
下图为FRANC3D盲算获得的裂纹扩展趋势的结果和实际观察到的裂纹扩展的比较。
盲算结果观察到的裂纹扩展然而，有一些情况会使得预测裂纹的扩展轨迹变得更加复杂，如裂纹扩展各向异性的阻力、非比例载荷（包括残余应力）、非常高的II型载荷（对有些材料）等。
如下图为20世纪90年代初，波音公司做过的一个全尺寸窄体板测试，展示了各向异性材料对裂纹扩展趋势的影响。
5.2计算局部裂纹扩展距离一般情况下，裂纹前缘上每个节点的扩展距离是不同的，使用疲劳裂纹扩展速率模型来计算局部裂纹扩展距离，有两个选项可供选择：1) 指定位于应力强度因子中值（median）上的节点的扩展增量，所有其它节点的扩展距离通过适当缩放获得，计算公式可表达为()()⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆∆∆∆∆=∆...,,,,...,,,,maxmaxthmthimi KKRKfKKRKfaa；2) 指定载荷的循环次数，从裂纹扩展速率公式直接计算所有节点的扩展距离，可表达为()...,,,,max thiiKKRKNfa∆∆∆=∆。
指定扩展增量指定载荷循环次数对于这两种方法来说，应注意局部裂纹扩展的增量不能设置的太小，这样会导致效率的低下；也不能设置的过大，这样会导致裂纹前缘的不稳定。
因此，应根据分析目的不同而合理设置裂纹局部扩展增量，如果要进行进精确寿命计算，可采用较小的增量，如果只需要查看裂纹扩展的趋势，则可设置较大的增量，以提高效率。
小的裂纹扩展步（稳定的裂纹前缘形状）大的裂纹扩展步（不稳定的裂纹前缘形状）5.3裂纹前缘拟合预测的裂纹前缘点是一系列的数值计算的结果，将这些点连线作为新裂纹前缘有时会出现振荡，甚至呈锯齿形，利用多项式曲线来拟合裂纹前缘可以消除这些振荡。
我们已经尝试了各种多项式和样条拟合曲线，遗憾的是，没有任何一种曲线能很好地拟合所有的情况，需要根据特定情况进行具体分析后选择合适的拟合方法。