基于XFEM的裂纹扩展仿真过程与经验分享

研究结构裂纹扩展和疲劳寿命已经有了一段时间，深深的感觉到国内研究成果相比国外有着许多的不足，尤其是在裂纹问题有限元仿真这一块，现有的先进的思想和方法都是国外研究者先提出和应用的。其中，扩展有限元方法（XFEM）以其独特的优势得到了研究者们的青睐，然而国内的相关资料特别是软件操作方面比较少，而且各执其词，这会使得许多初学者产生误解（笔者就是因此而走了不少的弯路），工欲善其事必先利其器，准确掌握了合适的方法才能更好的进行后续的研究工作。在学习了网上相关研究者的视频资料、ABAQUS16.4用户手册和达索官方的培训资料之后，笔者对这部分软件操作过程进行总结并给出了自己的一些理解，很多小的细节往往会导致较大的误差甚至是仿真的失败，针对这些问题给出了一些小小的建议，希望对未来研究这方面内容的同学们有所帮助。

第一部分、基于XFEM的静态裂纹参数计算

相比于同类型的有限元分析软件（如ANSYS），ABAQUS在裂纹这种强不连续问题上的仿真方面，其前处理建模和求解部分更加优秀，但是后处理部分比较困难，有些参数没办法通过软件直接输出，需要进行二次开发，后处理部分目前我做的还不是很好将在优化之后另作说明。

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仿真具体流程如下：（图片太多了上传麻烦而且不方便排版，我懒得一个个上传了，需要详细流程的还是请下载文档吧）

1） 建立part：（实体模型和裂纹模型）

首先必须要明确的是ABAQUS只能够计算和输出三维裂纹的静态裂纹参数，静态裂纹必须三维，静态裂纹必须三维，静态裂纹必须三维，重要的事说三遍。

Plate采用的是三维可变形solid特征，200为草图的尺寸（不重要），模型厚度为10（模型整的有点不开心啊，正如仿真的我此时的心情），这里重点注意一下红色圈圈部分，后面解释（非常重要，非常重要，非常重要）。crack采用的是三维可变形shell特征，10为草图的尺寸（不重要），裂纹模型厚度为10，与plate模型相同。 #####################################################重点1

2)定义材料属性

根据线弹性断裂力学理论，静态裂纹参数如应力强度因子K和J积分只需要计算裂纹尖端的应力场即可求得，因此只需要输入最简单的弹性模量E = 2e5和泊松比μ = 0.33.然后设置截面属性和赋予截面属性即可（这里的平面应力/应变厚度可以不用设置，这里我们要求的参数不需要厚度属性。赋予截面只需要给plate实体，裂纹不需要）

3)几何装配

导入两个实体（注意，导入实体后实体会按坐标系位置摆放，可能导致很难选到crack实体，因此可以在导入时勾选Auto-offset自动偏置模型或者点击显示管理分别查看模型并操作）。通过平移和旋转等方式将crack放置在plate的合适位置（注意：由于CAE网格边界都是直线，划分曲线边界是一个以直代曲的过程，下图右边（图先欠着）的方式就可能会使得裂纹的下端在单元的内部而不是模型的边界上，而我们这里只想考虑的是裂纹上端点的参数。实际裂纹长度为6。）

4）划分实体

在part模块。也可以不用这一步，主要是由于后面要定义裂纹的富集域，将富集域范围指定的小一点可以减少计算量，其次网格也好看一点，电脑配置高的同学请忽略这一步

5）定义相互作用（interaction）

在菜单栏special > crack > create，然后选择XFEM，将选择方式改为几何体（geometric cells），取消勾选allow crack growth（注意：abaqus静态裂纹仿真和裂纹扩展仿真只能二选一），然后选择裂纹所在的cell，选择裂纹实体，定义接触条件（静态仿真这里可以不用定义）。

设置其它相互作用，比如这里的加载点和圆面耦合，这里不进行详细说明。

6）定义载荷步（选择静力通用载荷步，参数设置大概这样就行了）

在场输出中勾选Failure/Fracture中的philsm（水平集值，可以让你在后处理中看到裂纹的实际开裂状态），还可以勾选state/Field/User/Time输出中的最后一项STATUSXFEM（在这里的用处不太大）

在历史输出中将主域改为裂纹，可以输出的类型有J积分,Ct积分，T应力和K,选择K之后还可以选择不同的准则，绕线积分的圈数设置为6及以上即可

对于裂纹这种强不连续问题，有限元分析很难得到收敛，因此需要对求解控制进行控制从而辅助收敛，在菜单栏others > general solution controls > edit >step1 ,先勾选不连续分析，然后将IA项设置的比较大。

7）网格划分：裂纹控制区域网格划分密集点，非裂纹控制区域可以稀疏点，这也是有限元分析中最重要的一步，花费的时间也是最长的，有两个很重要的地方需要说明，达索官方也是这样建议和要求的。很多人仿真结果误差很大应该就是这个地方的问题了，只是一个小细节容易被忽视。#################重点2和3

8）定义载荷：RP-1处设置三个方向的位移约束，外表面设置z方向位移约束，RP-2处设置x方向的位移为5，yz方向位移约束。边界条件部分会严重影响求解结果，这个地方根据你的模型实际情况进行斟酌。

9）提交求解

10）后处理

包括模型开裂状态，全局和局部应力图，应力强度因子的输出等

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