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考虑结构在不同启裂方向下裂纹扩展情况的讨论

刘长虹[1]，彭军[2]

（1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海，200237；2.ABAQUS上海办事处，上海，

200120）

摘要：针对材料的不均匀性，导致材料缺陷分布的随机性，研究了一种结构在同一个启裂点

和不同启裂方向下，采用ABAQUS6.9中XFEM方法模拟裂纹的扩展情况。计算结果表明，

当启裂方向不同，裂纹扩展的路径也不同。也就是说，裂纹扩展与裂纹启裂部位有非常明显

关系。

关键词：ABAQUS，XFEM，裂纹扩展

DiscussionontheCrackdevelopmentundertheinitialcrackofthedifferentdirection

ChanghongLiu

[1],JunPeng[2]

(1.MOEKeyLabofSafetyScienceofPressurizedSystem,Eastchinauniversityofscienceand

technology,Shanghai,China,200237,

2.Abaqusshanghaitechnicalmanagement,Shanghai,China,200120)

Abstract:Consideringthematerialpropertyofnon-homogeneousandtherandomdirectionsinan

initialcrack,thecrackdevelopmentsunderaninitialcrackindifferentdirectionswerediscussed.

TheresultswithABAQUSXFENshown,theshapesofacrackdevelopmentwerecloselyrelated

totheinitialcrackdirections.

Keywords:ABAQUS,XFEM,Crackdevelopment

1引言

工程结构的断裂破坏是一种常见的形式，因此研究工程结构中裂纹扩展情况具有非常

重要的工程实际意义。ABAQUS6.9以后版本所推出的模拟裂纹扩展功能XFEM

[1]，为工程

结构分析提供了一种强有力的工具。下面将以一种实际工程结构的断裂情况，采用

ABAQUS6.9版进行模拟计算。

如图1所示，结构在实际工作环境中，左端固定在一个可以上下运动的滑槽内，零件

靠近左边的底部固定在另外一个结构上。在底部机构的推动下，右上部分凸台受到一个向下

作用载荷。在实际的工作环境中，零件最终的破坏形式是在凸台的根部发生断裂。

2结构的有限元模型和计算

根据实际结构的工作情况，零件左边边界可以简化成为一个限制沿着水平方向左右移

动的位移约束。在零件下面靠近左侧固定上下运动机构部位，可以简化成为固定上下移动的

位移约束。尽管凸台上所受到的载荷分布情况无法确定，但是结合XFEM的算例考虑，可

以简化成为导致凸台右端向下的位移。

再根据结构实际形状、约束条件以及所要考虑到具体的裂纹扩展问题，可以把一个空

间结构简化成为一个平面应变结构的有限元模型。

根据结构的有限元分析可知，结构的凸台根部有应力集中现象。因此初步分析可知，

结构首先在凸台上面根部产生裂纹。随后扩展直至断裂破坏。根据断裂力学知识[3]，由于材料中含有微小的缺陷，因此，首先在缺陷处生成微裂纹，然后逐渐扩展。由于微小裂纹尺寸很小，因此采用XFEM定义裂纹时，只能把裂纹定义在凸台产生应力集中部位，即凸台根

部上面的角点上。如果考虑到材料在应力集中部位材料缺陷分布的随机性质，因此必须考虑

初始裂纹定义的角度。具体方法是在ABAQUS中定义一个与水平线成某个角度的一个小线

段作为Part2。并且采用节点耦合定义把小线段底部节点和图1中凸台上角上的节点耦合在

一起（见图2）。

图1结构的基本形状和尺寸

图2与水平线成45o角的初始裂纹定义

按照上述方法，分别考虑不同的缺陷导致初始裂纹在与水平线呈0o，30o，45o，60o和

90o情况下的裂纹扩展情况。

上述几种不同裂纹方向情况下的裂纹扩展情况见图3-7，明显看出，随着初始裂纹的方

向不同，尽管启裂在同样的一点位置上，但是裂纹的扩展形状不同。但是由于本例中裂纹可

以扩展的几何尺寸较小。因此尽管裂纹的扩展的路径不相同，但是最后的断裂形状相差不大。

从结构裂纹扩展的应变能曲线图8-12，可以看出应变能曲线差别不太大。其中与水平

线成60o角的曲线不同点在于，