基于XFEM技术模拟二维平板疲劳裂纹扩展-Abaqus软件（附视频教程）

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利用Abaqus软件做材料的疲劳裂纹扩展的模拟分析，早在2009年就已经在SIMWE论坛上看到有人发布相关的例子了，但是没有说出来具体CAE操作流程，虽然有inp文件，但是文件中某些关键词在CAE模块中并不支持，所以对于新手小白来说，想要做出疲劳裂纹的扩展，有点难度。本人两个月前开始接触疲劳裂纹的模拟，先前是一直在做静载荷条件下的裂纹扩展，两者都是利用XFEM技术，后者的教程在网上较多，但是前者的教程，就像前面提到的，少之又少。

同时，在Abaqus的帮助手册里，同样可以找到关于基于XFEM技术模拟低周循环载荷下，疲劳裂纹的扩展的相关例子，提供了inp文件，附在本文的最后，有需要的朋友可以下载来看看，也可以自己到帮助手册里找找出处。

好的，说了这么多，现在开始正式进入本篇教程的干货内容，基于本人也是还在新人阶段，此分析模拟是源自于帮助手册中的例子，但是边界条件与手册中有所差别，所以教程中有疏漏或者出错的地方，还请各位朋友，注意鉴别，提出指正批评。

已经抽时间录制好了视频教程：http://www.jishulink.com/college/video/c11094

需要看视频教程的朋友，可以点击链接观看。

【例子背景信息】一块3X3m的二维平板的顶部与底部受到方向相反的循环变化载荷，顶部受到峰值为8X10^-5m位移载荷，底部受到峰值为-8X10^-5m位移载荷，二维平板存在一条长度为0.3m的预制裂纹，位置如下面模型图所示。采用Direct cyclic分析步，实现受载过程的分析。

【模型信息】一块二维平板的几何信息和材料的参数、初始损伤判据和演化准则、分析步以及载荷边界条件设置如下图所示：

模型信息.png

------注意----注意--- 这里最大主应力在下文输入的是84.4MPa，因为PPT是我个人资料，所以大家按照下文来做----

【cae操作步骤】

首先先建立一个二维平板和初始裂纹的几何模型，在Part模块中操作：

（1）二维平板几何模型：如图1所示，进入CAE界面后，点击create part，进入create part的编辑界面，为二维平板几何模型命名为plate，选择2D Planar（即此模型为二维模型），Deformable可变形的Shell模型，因为我们的二维平板规格为3X3m，一般的输入值为模型最大尺寸的5-10倍左右较为合适，所以我选择输入值为20作为大约尺寸。点击continue，进入画图界面，点击按钮，以对角点两点建立矩形，我们在坐标输入框中输入二维平板几何模型的两点对角点，首先输入（-1.5，-1.5）【不用输入括号】，按回车键完成一点输入，再输入第二点（1.5,1.5）【不用输入括号】，按回车完成第二点输入，最后点击一下鼠标中键完成二维平板几何模型的建立。
（2）初始裂纹几何模型：如图2所示，点击create part，进入create part的编辑界面，为初始裂纹几何模型命名为initial crack，选择2D Planar（即此模型为二维模型），Deformable可变形的wire模型，因为我们的二维平板规格为3X3m，一般的输入值为模型最大尺寸的5-10倍左右较为合适，所以我选择输入值为20作为大约尺寸。点击continue，进入画图界面，点击按钮，以两点建立一条直线，我们在坐标输入框中输入裂纹的两个端点，首先输入（-3，0）【不用输入括号】，按回车键完成一点输入，再输入第二点（-2.7,0）【不用输入括号】，按回车完成第二点输入，最后点击一下鼠标中键完成初始裂纹几何模型的建立。
图1 图2
进入装配Assembly模块，对二维平板与初始裂纹几何模型进行装配。
首先点击creat instance，创建装配体，进入编辑界面，按住Shift键，选择刚刚建立的plate和initial crack部件模型，其他得接受默认选项，点击OK，完成二维平板模型的装配，如图3所示。

图4

3. 创建材料以及损伤判据准则，首先进入模块，点击creat material创建材料，进入编辑界面，点击mechanical中的elasticity中的elastic，输入杨氏模量young’s modulus，输入值为210e9，泊松比0.3；再从mechanical中选择Damage for traction-separation中的maxps最大主应力准则作为材料的初始损伤判据，在max principal stress中输入值为8.44e7pa，再点击中的Damage evolution建立材料的损伤演化准则，在type中选择energy，在softening中选择linear，mixed mode behavior中选择power law作为计算断裂能释放率的公式，并勾选power，输入值为1，代表指数为1（详情请查阅帮助手册中的power law公式），最后在三个类型的断裂能输入值为42200；再点击中的Damage stabilization cohesive，输入粘性参数为5e-5，为了促进结果的收敛。

图5

4. 创建截面并指配截面，点击creat section创建截面，进入到编辑界面，选择solid中的homogeneous，点击OK创建界面成功；第二步，点击assign section指配截面，再点击二维平板模型，按鼠标中键，完成截面的指配，完成后，二维平板模型呈绿色。

图6

5. 划分网格，首先进入mesh模块，要注意因为我们在之前在assembly选择是mesh on part，所以要选择，在本例子中，只需要对plate进行网格划分。首先点击按边进行播种，按住shift键，并选中plate的四条边，点击鼠标中键，进入编辑界面，选择by number按照种子数量的方式进行播种，种子的数量为59（这里选择为基数的原因是必须要保证xfem初始裂纹的位置位于网格的内部，而不能再网格的边界上，否则会影响裂纹扩展的准确性，其根据各位可以去考究，本人是从网上找到的信息，出处不详，欢迎补充），点击ok完成种子播种。

然后点击assign mesh control，指定划分网格的技术，进入编辑界面，选择quad全部为四边形，structured，点击OK；再点击assign element type指定网格类型，进入编辑界面，在单元族family里选择plain strain平面应变类型，其他的接受默认设置，点击OK，最后的网格代号为CPE4。最后点击mesh part生成网格。

图7

6. 设置接触条件，建立XFEM初始裂纹以及定义断裂准则（这一步非常关键）。

首先进入到interaction模块，找到special选项里的crack，点击creat创建裂纹，选择XFEM，点击OK后，首先先点击裂纹所在的区域，也就是点击本例子中的plate，然后进入编辑界面，勾选crack location，然后点击旁边的箭头，选择我们装配好的裂纹线，再勾选specify contact property，因为还没有建立接触属性，所以我们可以点击编辑界面里的来创建一个接触属性，进入contact property的编辑界面，我们只需要创建一个normal behavior，此选项可在mechanical里找到，参数设置如下图，创建完点OK，回到XFEM crack的编辑界面，选择刚刚创建的contact property后，点击OK，完成XFEM 初始裂纹的创建。

图8

接着，点击creat interaction创建接触，进入编辑界面，选择XFEM growth，点击OK完成创建接触。现在最关键一步是要在key words里输入Fracture criterion断裂准则的参数设置（这一步本可以在contact property里设置，但是由于其中一项类型是选择为fatigue，而cae界面里没有此选项看，只有VCCT，所以这一步必须在key words输入，值得一提不要贪方便把全部的contact property都在key words输入，本人原来就连同normal behavior也一起在key words输入，所以最后裂纹始终没有扩展，原因应该必须要在XFEM crack指配一个接触性能），key words的输入请看图，在左边树形图的model点击右键，选择edit keywords，进入编辑界面，详情如图，具体数值定义，请自己考究。

图9

7. 进入到step模块，点击 creat step创建分析步，设置详情请看图（打字实在太累）。

图10

在field output里找到这两项勾上，必须要这两项输出才能观察到裂纹的扩展状态，如果想要输入频率高一点的话呢，可以把frequency改成50（历程输出和场输出都改）.

图11

为了改善结果的收敛，可以在other选项中，general solution control中edit一下step-1,进入编辑界面，如图设置。在下图中time incrementation下一个选项more中的I_A数值改为50.

图12

8. 进入Load模块，建立边界条件以及幅值曲线载荷，首先建立初始边界条件，点击创建边界条件，进入编辑界面，step选择initial，然后选择mechanical中的displacement/rotation，如图，点击continue，选择plate的上下两条边，固定x方向，也就是只勾选U1，点击ok完成初始边界条件创建。

图13

再点击创建step-1的位移载荷边界条件，同上，在step中选择step-1，然后选择mechanical中的displacement/rotation，点击continue，选择plate顶部那条边，进入编辑界面，如图，其中要为位移载荷指配创建一个幅值曲线（实现载荷的周期变化），如图点击，进行如图参数设置（具体意义请自己考究），创建完幅值曲线并指定好后，点击OK，完成顶部边的载荷定义，重复上述操作为底部边设置方向相反，大小相同的位移载荷。