Abaqus裂纹扩展分析

可能裂纹表面建模时采用采用主、从接触面来定义。在接触形式中，除了有限滑动、面对面形式以外，其他所有接触形式均可使用。预先定义的裂纹面在初始时应部分粘合，裂纹尖端因而可以被Abaqus/Standard显式识别。初始粘合裂纹面不能采用自接触形式。

定义初始状态（initial condition）以识别裂纹初始绑定部分。用户可以定义从接触面（slave surface）、主接触面（master surface）、以及用来识别从接触面初始部分粘结的节点。从接触面上没有粘结的部分表现为正常接触面。主接触面及从接触面均需要指明。

如果没有节点如上所述被定义，初始接触状态将被应用于整个接触对。这种情况下，不能识别出裂纹尖端，因而粘结面不能分开。

如果节点如上所述被定义，初始解除状态将被应用于从接触面上已定义的节点处。Abaqus/Standard将进行核对以确保所定义节点只包含从接触面上的节点。

*INITIAL CONDITIONS, TYPE=CONTACT

激活裂纹扩展能力（crack propagation capacibility）

裂纹扩展能力需要在STEP定义中被激活，以确保初始部分粘合的2个面有可能产生裂纹扩展。用户需要指明会产生裂纹扩展的面。

*DEBOND, SLAVE=slave_surface_name，MASTER=master_surface_name

多裂纹扩展

裂纹可以在一个或多个裂纹尖端处产生扩展。一个接触对可以在多个裂纹尖端处产生裂纹扩展。然而，对于给定的接触对只能拥有一个裂纹扩展准则（crack propagation criterion）。

定义开裂振幅曲线（debonding amplitude curve）

开裂产生后，通过从接触面节点及主接触面相应节点上大小相等方向相反的力产生面间牵引。当采用临界应力准则、临界裂纹开口位移准则、裂纹长度-时间破坏准则时，用户可以定义粘结面上某点产生开始时，上述力以何种方式降至零。

最佳振幅曲线的选择依赖于材料性质、具体加载情况、裂纹扩展准则。如果应力过快被消除，在裂纹尖端处应变的剧烈变化将会造成收敛困难。对于大变形问题，将会产生严重的网格畸形。对于采用率无关材料的问题，线性振幅曲线完全能够满足要求。对于采用率相关材料的问题，产生开裂时的应力应以较慢速度消耗，以避免收敛困难和网格畸形。在50%

的时间里降低开裂应力25%可以避免这些问题。

指定破坏准则

临界应力准则（critical stress criterion）

临界应力准则适用于脆性材料（brittle material）的裂纹扩展。临界应力准则定义如下：

是交界面处法向应力分量；

、

为交界面处剪切应力分量；

、

为法

向和剪切失效应力。当失效准则值达到1.0时裂纹尖端节点开裂。

*FRACTURE CRITERION, TYPE=CRITICAL STRESS, DISTANCE=n

临界裂纹开裂位移准则（critical crack opening displacement criterion）

如果用户基于临界裂纹开裂位移准则进行裂纹扩展分析时，当裂纹尖端后某指定距离处的裂纹开裂位移达到临界值时产生节点开裂。该准则主要用于韧性材料（ductile material）。裂纹开裂位移定义如下：

为测得裂纹开裂位移值，

为临界裂纹开裂位移值。

*FRACTURE CRITERION, TYPE=COD, DISTANCE=n

裂纹长度-时间曲线准则（crack length versus time criterion）

为了指定裂纹扩展对时间显示表达函数，用户需要提供裂纹长度-时间的关系，以及初始测点。准则通过用户定义裂纹长度及当前裂纹尖端长度来判定。

*FRACTURE CRITERION, TYPE=CRACK LENGTH, NSET=name

VCCT准则（VCCT criterion）

虚拟裂纹闭合技术准则（VCCT）应用线弹性断裂力学理论（LEFM），因此该准则适用于在预先定义面上产生脆性裂纹扩展的问题。

VCCT基于假设：裂纹产生一定扩展的应变能释放量与使裂纹闭合所需的能量相等。

MODE I:

Abaqus/Standard提供3中混合模式的准则用以计算临界等效应变能释放率：BK法则（BK LAW）、指数法则（POWER LAW）、Reeder法则（Reeder LAW）

BK LAW:

*FRACTURE CRITERION, TYPE=VCCT, MIXED MODE BEHAVIOR=BK

POWER LAW:

*FRACTURE CRITERION, TYPE=VCCT, MIXED MODE BEHAVIOR=POWER

Reeder LAW:

*FRACTURE CRITERION, TYPE=VCCT, MIXED MODE BEHAVIOR=REEDER

低周疲劳准则（Low-cycle fatigue criterion）（略）

具体过程

控制开裂中的时间增量

当自动增量应用于除了VCCT及低周疲劳准则以外其他的准则时，用户可以指定产生开裂后的时间增量步大小。默认地，时间增量步等于上一次指定的时间增量步。然后，如果在增量步开始时满足破坏准则，开裂后的时间增量步的大小将被设定为该步中所允许的最小

时间增量步。

*DEBOND, SLAVE=slave，MASTER=master, TIME INCREMENT=t

VCCT准则的粘性调整（viscous regularization）

存在裂纹不稳定扩展的结构模拟是十分棘手和困难的，不收敛经常会出现。尽管常用稳定技术可以克服一些收敛困难，通过应用粘性调整技术，VCCT可以应用于局部刚度降低。粘性调整刚度折减可以使在时间增量步足够小的情况下，软化材料的切线刚度阵为正。

*DEBOND, SLAVE=slave, MASTER=maser, VISCOCITY=u

应用VCCT准则提示

采用VCCT准则的分析要求小的时间增量步。分析采用VCCT准则时，Abaqus/Standard通过逐个节点追踪动态裂纹位置。因此在每一个单独增量不中，裂纹尖端只允许一个单独节点扩展。因为采用VCCT准则的分析提供了具体的裂纹扩展结果，用户需要小的时间增量步，尤其是当网格高度细化时。

采用VCCT技术分析时有3种折减方式用于改善收敛问题，即：接触稳定性技术（contact stabilization）、动态或稳态稳定性技术（automatic or static stabilization）、粘性调整技术（viscous regularization）。三种技术均与VCCT准则相兼容。如果用户的VCCT模型由于不稳定裂纹扩展而导致不能收敛，将折减参数设为一个相对较大的值并重新分析。当参数足够大时将会返回稳定增量过程。然而裂纹扩展行为可能由于修改了模型二不符合实际的物理意义。为了监测该过程中耗散的粘性这件能，计算出该粘性耗散能并与总应变能进行比较（ALLSE）。较为合理的参数设置为粘性耗散能仅占总应变能很小的一部分。当用户采用接触或动态稳定性技术时，Abaqus将耗散能存入数据文件（.odb）中的ALLSD变量中。当用户采用粘性调整技术时，Abaqus将耗散能存入变量ALLVD中。 为了尽可能提高开裂模拟的准确性，开裂接触对中的主、从面对应部分尽可能采用合适匹配的单元（matched mesh）。

在数据文件（.dat）中输出接触约束信息允许用户检查分析开始时接触对的开裂状态。在信息文件（.msg）输出接触状态信息，用户可以追踪裂纹扩展的变化行为。 用户模型中的主开裂面必须连续。

对于包含高阶单元接触对的二维模型而言，初始未开裂范围应该覆盖整个单元表面。换句话而言，二维高阶模型中的裂纹尖端应该位于从接触面角点，裂纹尖端不能位于中间

部分节点。

VCCT准则与粘结单元（cohesive element）比较

VCCT 裂纹扩展模拟沿着已知裂纹面 粘结单元 裂纹扩展模拟沿着已知裂纹面。然而粘结单元能够用于单元面间作为单元分离的机理 应用LEFM建立脆性断裂模型 应用LEFM或EPFM建立脆性或韧性断裂模型。 采用开裂架构，不需要额外单元 为了提高准确性，粘结单元的划分需要密于周边结构性单元的划分及相关联的粘结区域，因此，计算花费昂贵 裂纹面开始处需要设计预先存在的缺陷，不能模拟不存在裂纹的某面的初始裂纹 当应变能释放率大于断裂能时裂纹扩展 允许存在多裂纹尖端/面的情况 未产生裂纹时裂纹面处于刚体粘结状态 能够模拟不存在裂纹的某面的初始裂纹。当连结牵引力超过临界值时裂纹开始扩展 裂纹开裂通过粘结失效模型来进行判断 允许存在多裂纹尖端/面的情况 未产生裂纹时裂纹面弹性连结 用户自定义开裂强度（fracture toughness） 需要用户自定义临界牵引开裂值、连结强度、连结面的弹性参数 仅限于Abaqus/Standard中使用

测量临界应变能释放率

应用于Abaqus/Standard及Abaqus/Explicit ASTM D 5528-94a, “Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites” ASTM D 6671-01, “Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II

Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites”

ASTM D 6115-97, “Standard Test Method for Mode I Fatigue Delamination Growth Onset of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites”