ABAQUS的斷裂力學工程應用
斷裂力學所說的裂紋是指宏觀的、肉眼可見的裂紋，工程材料中的各種缺陷可近似地看作裂紋。基本研究內容包括：
a) 裂紋的起裂條件；
b) 裂紋在外部載荷和（或）其他因素作用下的擴展過程；
c) 裂紋擴展到什么程度物體會發生斷裂。
根據工程方面的需要，可知斷裂力學研究問題分為三個方面：
① 含裂紋的結構在什么條件下破壞？
② 結構在給定載荷下可允許含有的裂紋大小？
③ 在裂紋和載荷條件確定時，結構的壽命是多少？
斷裂力學是研究含裂紋構件強度與壽命的一門固體力學新分枝，是結構損傷容限設計的理論基礎。從材料特定來看，包括兩類斷裂力學：
a) 線彈性斷裂力學：適用于裂紋尖端附近小范圍屈服的情況；
b) 彈塑性斷裂力學：適用于裂紋尖端附近大范圍屈服的情況。
在線彈性斷裂力學中，最重要的力學參量是應力強度因子，該參量可明確描述裂紋尖端場附近的應力場和位移場
方式 I（KI） ：打開或拉伸方式導致斷裂（張開型）
方式 II （KII） ：剪切或者相對滑動導致斷裂（滑開型）
方式 III （KIII） ：撕裂或者平面外導致斷裂（撕裂型）
應力強度因子stress intensity factors
脆性斷裂是構件或接頭在降低溫度時，厚度較大、脆性較大同時存在較大的殘余應力（Residual Stress）時，由于缺口（Notch）的存在和載荷的增加而產生的。在多晶體材料中，斷裂是沿著各個晶體內部的解理面產生的．但由于材料中各個晶體及解理面的方向是變化的，因而斷裂表面在外觀上呈現粒狀。脆性斷裂有時主要沿晶界產生，因而稱為晶間斷裂。由于脆性斷裂在事故發生前難有預兆，斷裂時又容易產生很多碎片，因此它是一種非常危險的突發事故，危害較大。
特點：斷裂面和載荷方向呈90°角；可能會有（或無）微小塑性變形；斷裂表面比較粗糙或者呈水晶狀；有“人”字紋（ChevronPatterns）并且指向初始斷裂點。
三種模式：疲勞斷裂（Fatigue）、脆性斷裂（Brittle)、韌性斷裂（Ductile）
韌性斷裂也有叫延性斷裂，它是由于裂紋的緩慢擴展而造成的，而這種裂紋擴展又起源于孔穴的形成和合并。延性斷裂的斷口表面外觀特征為無光澤的纖維狀。大多數多晶體金屬的拉伸試驗的延性斷裂有三個明顯的階段：首先，試樣開始出現局部“頸縮”，并在“頸縮”區域產生小的分散的空穴；接著這些小空穴不斷增加和擴大并聚合成微裂紋，裂紋方向一般垂直于拉應力方向；最后，裂紋沿剪切面擴展到試件表面，剪切面的方向與拉伸軸線近似成45°。斷裂形態是典型的“杯錐”失效斷面。延性斷裂在斷裂前出現大量的塑性變形，具有明顯的失效預兆。
特點：灰色的粗糙表面；斷裂面高低不平；可能有剪切唇（在斷裂邊緣與載荷成45°角）；截面收縮；斷口微觀形貌通常有韌窩。
三種模式：疲勞斷裂（Fatigue）、脆性斷裂（Brittle)、韌性斷裂（Ductile）
疲勞斷裂是由于結構或接頭本身存在缺陷， 如咬邊（undercut），裂紋（Crack），夾渣（Slag inclusion），氣孔（porosity），電弧擦傷（Arc Strike）以及機械損傷（Mechanical Damage）等導致應力集中，在周期載荷作用下，結構強度小于屈服應力時發生了斷裂（fracture）。
特點：斷裂面和載荷方向呈90°角；斷裂面非常光滑；如果存在多個初始斷裂點，可能會有階梯狀；由于載荷的作用，可能存在顯示斷裂過程的條紋（Beach Mark）
三種模式：疲勞斷裂（Fatigue）、脆性斷裂（Brittle)、韌性斷裂（Ductile）
斷裂起裂的主要CAE技術手段是利用輪廓積分法（contourintegrals）研究裂紋尖端的斷裂參數，斷裂參數包括：
? J積分
? C積分（蠕變）
? 應力強度因子
? 裂紋擴展方向
? T應力
裂紋起裂研究中需注意的事項有：
? 僅用于隱式有限元法
? 受力狀態為準靜態
? 斷裂構件是連續介質并僅研究裂紋界面的特點
? 裂紋尖端設置特殊的集中網格
裂紋擴展的特點：
? 低周疲勞
? 預定路徑的裂紋擴展
? 裂紋擴展時可執行輪廓積分
裂紋擴展一般研究6類問題：
? 裂紋尖端前方一定距離處的臨界應力
? 臨界裂紋張開位移
? 裂紋長度與時間
? VCCT（虛擬裂紋閉合技術）
? 增強VCCT
? 基于Paris定律的低周疲勞
線彈簧元件通過殼體的裂紋提供廉價的零件評估。基本概念是，這些元素將由裂紋尖端奇異性控制的局部解引入無裂紋幾何殼模型。這是通過允許模型中沿裂紋線增加一個自由度來實現的，該自由度由線彈簧元件提供
Abaqus/standard中的線彈簧單元為分析板殼中的零件穿透裂紋提供了一個計算成本低廉的工具。這一基本概念最早由賴斯（1972年）提出，并由帕克沙懷特（1982年）進一步討論。
FEM通過在具有特殊位移函數的單元中添加自由度將裂紋建模為強化特征。XFEM不需要網格來匹配不連續的幾何體。它可以用來模擬離散裂紋沿任意解相關路徑的萌生和擴展，而無需重新劃分。XFEM也可以用來進行輪廓積分評估，而不需要細化裂紋尖端周圍的網格。
1999年，美國西北大學Beleytachko提出了擴展有限法，該方法是對傳統有限元法進行了重大改進。擴展有限元法的核心思想是用擴充帶有不連續性質的形函數來代表計算區域內的間斷，在計算過程中，不連續場的描述完全獨立于網格邊界，在處理斷裂問題有較好的優越性。利用擴展有限元，可以方便的模擬裂紋的任意路徑，還可以模擬帶有孔洞和夾雜的非均質材料
XFEM基本特點
?通常稱為擴展有限元法（XFEM）；
?是基于統一劃分概念的傳統有限元方法的擴展；
?通過使用特殊位移函數豐富自由度，允許元素中存在不連續性；
?能夠模擬流體壓力場中的不連續性以及水力驅動裂縫中破裂元件表面內的流體流動；
?不需要網格匹配間斷的幾何結構；
?可以模擬離散裂紋沿任意溶液依賴路徑的萌生和擴展，而無需在材料中進行重劃；
?可與基于表面的內聚行為方法或虛擬裂紋閉合技術同時使用，最適合模擬界面分層；
?可使用靜態程序（見靜態應力分析）、隱式動態程序（見使用直接積分的隱式動態分析）、一般疲勞裂紋擴展方法（見線彈性疲勞裂紋擴展分析）執行，采用直接循環法進行低周疲勞分析（見采用直接循環法進行的低周疲勞分析）、地應力場程序（見地應力狀態）或耦合孔隙流體擴散/應力分析（見耦合孔隙流體擴散和應力分析）；
?也可用于對任意靜止表面裂紋進行輪廓積分評估，而無需定義裂紋尖端周圍的一致網格；
?允許基于小滑動公式或一般接觸框架內有限滑動公式的開裂元件表面的接觸交互作用；
?允許對開裂構件表面施加分布壓力荷載；
?允許在開裂元件表面上輸出一些表面變量；
?材料和幾何非線性
?僅適用于一階應力/位移固體連續體單元、一階位移/孔隙壓力固體連續體單元和二階應力/位移四面體單元
文章來源：虛擬Abaqus仿真現實世界
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