扩展有限元（XFEM）在结构断裂分析中的应用

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扩展有限元在Abaqus中可以用于三维实体模型或二维平面问题，不能用于三维的壳单元模型。

压力容器裂纹扩展

扩展有限元在Abaqus中的应用设置也很简单，以下简要列举其中的关键步骤：

第1步，材料属性设置。

除了弹性属性外，还需要在材料中定义损伤起始判据及损伤演化判据，可以使用Abaqus自带的一些最大应力、二次应力、最大主应力等准则，同时结合内聚力模型中常用的基于断裂韧性的损伤演化准则；也可以通过UDMGINI子程序自定义损伤起始判据结合VCCT或者Surface-Based chesive等演化准则，后者在复合材料XFEM分析中比较常见。

本案例是一个金属压力容器裂纹扩展模型，详细材料参数设置如下。

第2步，设置分析步输出

创建Static,general分析步，打开几何非线性。在Field输出里勾选与扩展有限元相关的输出变量，Failure / Fracture > PHILSM和PSILSM，以及State / Field/ User/ Time> STATUSXFEM。

其中，PHILSM是描述裂纹面距离的函数，裂纹面所经过的位置 PHILSM=0；PSILSM是描述初始裂纹尖端的距离函数；STATUSXFEM代表富集单元的状态。如果该单元完全开裂，则单元状态为1.0；如果该单元无裂纹，则其状态为0.0。如果该单元部分开裂，则STATUSXFEM的值介于1.0和0.0之间。

第3步，定义裂纹

在Interaction模块中，选择Special>Crack>Creat来创建裂纹，在弹出的菜单中选择XFEM类型。

点击Continue，选择裂纹可扩展区域为整个压力容器，勾选Allow crack growth及Crack location，手动选择模型中提前预制的一个曲面作为初始裂纹面，如考虑裂纹面的接触属性，可勾选Specify contanct property，并指定提前创建好的接触属性即可。

其他的边界与加载步骤与常规模型无异，不再赘述。

将上述模型提交计算之后，就可以看到裂纹的扩展过程。如下图所示。

本案例中所讲述的是一个金属压力容器在内压作用下的裂纹扩展问题，采用的是XFEM，下一期开始讲述复合材料结构中XFEM的应用，敬请关注。

以下为本案例的CAE模型及inp文件下载链接。