abaqus与franc3d在疲劳裂纹扩展分析中的对比研究

随着高强度材料和大型结构的广泛应用，一些根据静强度设计制造的产品先后发生灾难性的疲劳断裂事故。精确估算出结构的疲劳寿命，确保结构在服役期内不发生疲劳失效是疲劳裂纹研究的目的。Abaqus和Franc3D均可以模拟循环载荷下的疲劳裂纹扩展行为，本文对两者的模拟结果进行了对比分析。

Abaqus中可以通过直接循环法进行疲劳裂纹扩展分析，整个过程包含两阶段，（1）裂纹萌生阶段；（2）裂纹扩展阶段。

裂纹萌生准则如下

裂纹萌生后的扩展速度采用基于能量释放率的Paris公式进行描述

Abaqus中通过设置关键字来引入裂纹扩展模型。

*Fracture Criterion,TYPE=FATIGUE,MIXED MODE BEHAVIOR=POWER(BK or REEDER)

Franc3D与Abaqus的区别在于裂纹描述方式上，abaqus采用扩展有限元方法来描述裂纹，Franc3D则通过自适应网格来描述裂纹。Franc3D内置了多种疲劳裂纹扩展速率模型，如下图所示。

在计算疲劳裂纹扩展时，Abaqus和Franc3D本质上的物理机理是相同的，只是各自具体的实现方法有所区别。本文分别使用Abaqus和Franc3D模拟了含有预制裂纹平板的疲劳行为，并对模拟结果进行了对比。

Abaqus中模型的几何形状和加载方式如下图所示。Abaqus计算出裂纹尖端的能量释放率，并结合式(2)进行裂纹疲劳扩展分析。

Franc3D中的网格如下所示。Franc3D对裂纹尖端网格进行了楔形单元划分，通过M-integral等方法计算出裂纹尖端的应力强度因子，结合Paris公式等进行疲劳裂纹扩展分析。

计算结果如下

Abaqus计算结果

Franc3d计算结果

裂纹长度和循环数的关系

通过对比上述结果可以发现，Abaqus和Franc3D模拟得到的裂纹扩展路径基本一致，相同的循环数作用下，Abaqus中的裂纹长度小于Franc3d中的裂纹长度。Abaqus计算得到的疲劳寿命 (4251049)比Franc3d (2342511)大一倍左右，两者计算得到的寿命基本一致(3倍分散带内)。

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