ANSYS 断裂力学新功能之SMART自适应裂纹萌生分析
作者：李桂花，上海安世亚太结构应用工程师。
声明：本作品为上海安世亚太原创作品，如需转载请联系我们。
裂纹扩展是指材料在外界因素作用下裂纹萌生、生长的动态过程。对于不考虑奇异性的裂纹扩展分析，需要定义准则来确定裂纹萌生的初始位置。新版本中使用SMART（分离、变形、自适应和重划分网格技术）分析裂纹扩展时增加了最大主应力准则去评估裂纹萌生的时间和位置。当满足该准则时，裂纹自动以椭圆的形状（目前只支持椭圆裂纹）和适当的尺寸插入到定义的裂纹区域，然后程序进行下一步的裂纹扩展计算。
以一个简单的demo来描述SMART自适应裂纹萌生分析的计算步骤:
1.创建分析模型 。如图示紧凑拉伸试样，一端固定，上下圆孔给定100N拉力，预测产生I形裂纹，最大主应力位置在开口前沿。
图1 计算模型
2.建立裂纹产生区域节点组件。图示模型中选择最大主应力前沿一排节点作为裂纹产生区域的节点组件，并命名为CrkInitZone。
图2 裂纹产生区域节点组件
3.对模型进行初步分析，最大主应力为61.5MPA，设定产生裂纹的临界主应力为60MPA
图3 没有裂纹时分析，最大主应力云图
4.在分析中插入如下命令流，定义裂纹产生准则和裂纹扩展计算选项
!! 定义最大主应力作为裂纹萌生准则，注意单位制
TB,CR KI,1
TBDATA,1,60
!! TB,CR KI,MAT_ID,NTEMP,NPTS
!! TBDATA,1,Par1
!!其中Par1是临界最大主应力值;CR KI,自适应裂纹萌生准则;MAT_ID材料编号
!! 通过ADPCI（adaptive crack initiation）在裂纹产生区域节点组件自动生成椭圆裂纹
ADPCI,DEFINE,1,CrkInitZone,1,ELLIPSE
!! ADPCI,DEFINE,CIID,CompName,MAT_ID,CRACKGEOM
!!其中CIID是ADPCI编号。“CompName”为裂纹产生区域节点组件名称。MAT_ID将临界值(通过TB、CR KI定义)与裂纹萌生数据记录连接起来。CRACKGEOM表征裂纹几何信息。目前仅支持椭圆型裂纹起裂，即ELLIPSE。
!! 分别定义裂纹生成计算编号，断裂参数，计算积分围线，裂纹萌生的ADPCI编号，裂纹表面组件名称。裂纹表面组件名称（crksurf1和crksurf1）自定义，在裂纹萌生和局部网格发生变化时，程序会自动填充节点列表。如果不明确给出裂纹表面的节点组件名称，程序会自动生成两个内部节点组件。
CINT,NEW,11
CINT,TYPE,SIFS
CINT,NCON,4
CINT,INIT,1
CINT,SURF,CRKSURF1,CRKSURF2
!! 分别定义裂纹扩展分析编号，对应的扩展裂纹编号，以及使用smart分析方法进行裂纹扩展分析
CGROW,NEW,31
CGROW,CID,11
CGROW,METHO,SMART,REME
!! 该命令为非必须插入项，由于使用smart分析方法会自动在裂纹处加密网格，为减小计算量，设置裂纹扩展网格粗化选项，可能会影响计算精度
CGROW,RMCONT,coarse,aggr
!! 其中CONS – 使用保守的网格粗化 (default)
MODE – 适中网格粗化.
AGGR – 激进的网格粗化策略
5.设定载荷分析子步，建议设定较多的初始载荷子步和最小载荷子步捕捉裂纹扩展过程，本例设定了40个载荷步。
6.提交计算，计算过程中，在求解信息中会出现如图中是否达到裂纹插入准则信息提示。达到准则之后程序会自动插入椭圆形裂纹和计算插入的椭圆形裂纹坐标位置和长短轴长度，以及输出使用smart方法计算时重划分网格的数目信息。
图4求解过程信息提示
程序在确认椭圆形裂纹坐标位置时，会在每个子步标记所有满足裂纹萌生条件的节点，并将它们分组到节点云中。节点云的几何中心是椭圆的中心。离椭圆中心最近的节点称为种子节点。然后通过各种矢量计算的方法，计算出椭圆长短轴的方向和长度，如帮助文件中截图所示，有兴趣的朋友可以详细查询帮助文件。
图5 自动确认椭圆形裂纹的计算方法
7.计算结果分析。如图所示，在0.825S之后满足最大主应力准则，产生裂纹并使用smart方法进行裂纹扩展计算。裂纹扩展过程中，裂纹尖端区域附近网格自动加密。
图6 裂纹自动产生前后最大主应力结果对比
图7 采用不同策略粗化网格计算结果
（左图激进粗化，右图保守粗化）
总结和注意事项：
1、2022R1新版本中可以通过自定义最大主应力准则方法进行自适应裂纹萌生分析，省去了手动创建裂纹的步骤，为断裂力学新功能亮点之一。由于全程需要通过插入命令流实现，需要用户对apdl有一定的使用基础。
2、该功能在单个模型中不支持多个裂纹萌生分析。
3、Smart裂纹扩展时由于裂纹尖端奇异性，载荷子步和网格对结果有较大影响
4、裂纹萌生位置节点组件建议选择表面节点，因为大多数真实世界的损伤都是从试件表面开始的
