XFEM(扩展有限元)例子的详细图解step by step

ABAQUS6.9版本XFEM(扩展有限元)例子的详细图解step by step

一、part模块中的操作：

1. 生成一个新的part，取名为plate，本part选取3D deformable solid extrusion类型（如图1）

2.通过Rectangle 工具画出一长3，高6的矩形。考虑使用工具栏add-dimension和edit dimension来画出精确长度的模型。强烈建议此矩形的左上角坐标为（0，3），右下角坐标为（3，-3）（如图2）

3. 完成后拉伸此矩形，深度为1.（如图3）

4. 生成一个新的part，取名为crack，本part选取3D deformable shell extrusion类型（如图4）8 Y3 l/

5. 生成一条线，此线的左端点坐标为（0，0.08），右端点坐标为（1.5，0.08）

6 . 完成后拉伸此线，深度为1.（如图6）

7.保存此模型为XFEMtutor（如图7），以后经常保存模型，不再累述。

8. 在part Plate中分别创建4个集合，分别为：all，bottom，top和fixZ，各部分的内容如图8～11所示。

二、Material模块中的操作：

1. 创建材料elsa，其弹性参数为E=210GPa，泊松比为0.3（如图12）

最大主应力失效准则作为损伤起始的判据，最大主应力为84.4MPa（如图13）

损伤演化选取基于能量的、线性软化的、混合模式的指数损伤演化规律，有关参数为G1C= G2C= G3C=42200N/m， =1.（如图14）

2.创建一个Solid Homogeneous 的section，名为solid（如图15），此section与材料elsa相联（如图16），并将此section赋给plate part（也就是集合all）（如图17）# D8 T {*

3.赋予材料取向，分别如图18～21所示。9 v9

三、划分网格：

网格控制为：Hex型structured（如图22），单元类型为C3D8R（如图23）设置plate各边的网格种子为8，26，36（如图24），各边种子的个数不能改变（如图25）+ G5

四、装配模块：选中plate和crack两个part，分别生成2个实体（如图26），生成一个参考点，参考点的坐标为（1.5，-3，0）（如图27，28）。将参考点的名字改为db（如图29，30）。生成集合bdisp，此集合包含db这个点。

五、Interaction模块中创建约束方程ce_bot，如图31所示。

六．Step模块中的操作：

1.建立个static的分析步，如图32所示。打开几何非线性开关，如图33所示。设置增量步，如图34所示。打开解控制，如图35和图36所示，并进行有关参数的设置，如图37和图38所示。设置场输出变量，如图39所示。请求一个新的历史输出变量，如图40所示。8 a7

七Load模块中的操作:

设置4个位移边界条件，位移值、边界条件的名称、类型、作用载荷步、作用区域等分别如图41～44所示。

八、设置XFEM型裂纹：返回Interaction模块，先生成一个硬接触属性contact，如图45所示。再建立XFEM 型裂纹，过程如图46～49所示。

九、通过关键词编辑器加入损伤稳定性控制，如图50，图51所示。

十、生成job XFEMtutor，进行计算，结果如图52所示。

有限元法

【第1章思考题】 1、何为有限元法？其基本思想是什么？ 1)“有限单元法”简称“有限元法”，是借助于电子计算机解决工程问题的近似方法。 2)“化整为零，集零为整”。也就是将一个原来连续的物体假想地分割成由有限个单元所组成的集合体，简称“离散化”。然后对每个单元进行力学特征分析，即建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种关系式集合起来，形成整个结构的力学特性关系，即得到一组以节点位移为未知量的代数方程组。处理后即可求解，求得结点的位移，进一步求出应变和应力 2、为什么说有限元法是近似的方法，体现在哪里？p3 用离散单元的组合体来逼近原始结构，体现了几何上的近似；而用近似函数逼近未知变量在单元内的真实解，体现了数学上的近似。 3、单元、节点的概念？ 网格划分中的每一个小部分称为单元。网格间相互联结点称为节点。 4、有限元法分析过程可归纳为几个步骤？p4 结构离散化、单元分析、整体分析 5、有限元方法分几种？本课程讲授的是哪一种？ 从选择基本未知量的角度来看，可分为3类： 1、位移法：以节点位移为基本未知量的求解方法称为位移法。本课程讲授的内容 2、力法：以节点力为基本未知量的求解方法称为力法; 3、混合法：一部分以节点位移，另一部分以节点力作为基本未知量的求解方法称为混合法。位移法 6、弹性力学的基本变量是什么？p8何为几何方程p11、物理方程p12及虚功方程？p14弹性矩阵的特点？ 弹性力学变量:外力、应力、应变和位移。描述弹性体应变分量与位移分量之间的方程称为几何方程；物理方程描述应力分量与应变分量之间的关系；弹性体上外力在虚位移发生过程中所做的虚功与储存在弹性体内的需应变能相等。弹性矩阵由材料的弹性模量和泊松比确定，与坐标位置无关。 7、何为平面应力问题和平面应变问题p17 平面应力问题：在结构上满足a几何条件：研究对象是等厚度薄板。b载荷条件：作用于薄板上的载荷平行于板平面且沿厚度方向均匀分布，而在两板面无外力作用。 平面应变问题：满足a几何条件：长柱体，即长度方向的尺寸远远大于横截面的尺寸，且横截面沿长度方向不变。b载荷条件：作用于长柱体结构上的载荷平行于横截面且沿纵向方向均匀分布，两端面不受力两条件的弹性力学问题 【第2章思考题】 1、何为结构的离散化？离散化的目的？何为有限元模型？ 结构的离散化:把连续的结构看成由有限个单元组成的集合体②目的：建立有限元计算模型 ③通常把由节点,单元及相应的节点载荷和节点约束构成的模型称为有限元模型 2、结构离散化时，划分单元数目的多少以及疏密分布，将直接影响到什么？确定单元数量的原则？通常如何设置节点？ ①单元的数量要根据计算精度的要求和计算机的容量来确定，因此在保证精度的前提，力求采用较少的单元。②节点的布置：a集中载荷的作用点b分布载荷强度的突变点 c分布载荷与自由边界的分界点d支承点e厚度不同或材料不同的区域等都应取为节点。 3、节点总码的编号原则？何为半带宽？半带宽与节点总码的编号有何关系？p21 ①节点编号时，应注意尽量使同一单元的相邻节点的号码差值尽可能地小些，以便缩小刚度矩阵的带宽，节约计算机存储。节点应顺短边编号为好②包括对角线在内的半个带状区域中每行具有的元素的个数，③半带宽B=（相关节点编号最大差值+1）*2

扩展有限元简介

扩展有限元 有限元是将一个物理实体模型离散成一组有限的相互连接的单元组合体, 该方法在考虑物体内部存在缺陷时间，单元边界与几何界面一致，会造成局部网格加密，其余区域稀疏的非均匀网格分布，在网格单元中最小的尺寸会增加计算成本，再者裂纹的扩展路径必须预先给定只能沿着单元边界发展。 1999年，美国西北大学Beleytachko 提出了扩展有限法，该方法是对传统有限元法进行了重大改进。扩展有限元法的核心思想是用扩充带有不连续性质的形函数来代表计算区域内的间断，在计算过程中，不连续场的描述完全独立于网格边界，在处理断裂问题有较好的优越性。利用扩展有限元，可以方便的模拟裂纹的任意路径，还可以模拟带有孔洞和夹杂的非均质材料。 扩展有限元是以标准有限元的理论为框架，保留传统有限元的优点，目前商业软件中如Abaqus 等都加入扩展有限元的分析模块。 扩展有限元以有限元为基本框架，主要针对不连续问题进行研究，相对于传统有限元方法，它克服了裂纹扩展问题的不足。其采用节点扩展函数，其中包括2个函数:裂纹尖端附近渐进函数表示裂纹尖端附近的应力奇异性;间断函数表示裂纹面处位移跳跃性。整体划分位移函数表示为 αααI =I I I =∑∑++=b x F a x H u x N x u N i )(])()[()('41 1 式中:)(x N I 为常用的节点位移函数；I u 为常规形状函数节点自由度，适用于模型中的所有节点；)(x H 为沿裂纹面间断跳跃函数；I a 为节点扩展自由度向量，这项只对形函数被裂纹切开的单元节点有效；)(x F α为裂纹尖端应力渐进函数；αI b 为节点扩展自由度向量，这项只对形函数被裂纹尖端切开的单元节点有效。 沿裂纹面间断跳跃函数)(x H 表达式为： otherwise n x x if x H 0)(11)(*≥-???-= 式中:x 为样本点；*x 距x 最近点；n 为单位外法线向量。 各向同性材料的裂纹尖端渐进函数)(x F α表达式为： ????? ?=2cos sin ,2sin sin ,2cos ,2sin )(θθθθθθαr r r r x F 裂纹尖端的渐进函数并不局限于各向同性弹性材料的裂纹建模。可用于弹塑性指数硬化材料，不同的裂纹尖端渐进函数的形式与裂纹位置、非线性材料变形程度有关。

有限元原理与步骤

2.1.1 有限元法基本原理（Basic Theory of FEM） 有限元法的基本思想是离散的概念，它是指假设把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连。根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，选择合适的单元类型。这样组成有限的单元集合体并引进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的有限元计算模型，它替代了原来具有无限多自由度的连续体[24][25]。 有限元法从选择基本未知量的角度来看，可分为三类：位移法、力法和混合法。以节点位移为基本未知量的求解方法称为位移法；以节点力为基本未知量的求解方法称为力法；一部分以节点位移，另一部分以节点力作为基本未知量的求解方法称为混合法。由于位移法通用性强，计算机程序处理简单、方便，成为应用最广泛的一种方法[26]。 有限元法的求解过程简单、方法成熟、计算工作量大，特别适合于计算机计算。再加上它有成熟的大型软件系统支持，避免了人工在连续体上求分析解的数学困难，使其成为一种非常受欢迎的、应用极广泛的数值计算方法[27]。 2.1.2 有限元法基本步骤（Basic Process of FEM） 有限元法求解各种问题一般遵循以下的分析过程和步骤[28][29]： 1. 结构的离散化 结构的离散化是进行有限元法分析的第一步，它是有限元法计算的基础。将结构近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的计算模型，习惯上称为有限元网格划分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来，而单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定。所以有限元法分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同种材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果是近似的。显然，单元越小（网格越密）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量将增大，因此结构的离散化是有限元法的核心技术之一。有限元离散过程中又一重要环节是单元类型的选择，这应根据被分析结构的几何形状特点、载荷、约束等因素全面考虑。 2. 位移模式的选择 位移模式是表示单元内任意点的位移随位置变化的函数，位移模式的选择是有限元特性分析的第一步。由于多项式的数学运算比较简单、易于处理，所以通常是选用多项式作为位移函数。选择合适的位移函数是有限元分析的关键，它将决定有限元解的性质与近似程度。位移函数的选择一般遵循以下原则（有限元解的收敛条件）：

ABAQUS版本XFEM扩展元例子的详细图解

A B A Q U S6.9版本X F E M(扩展有限元)例子的详细图解 一、part模块中的操作： 二、 1.生成一个新的part，取名为plate，本part选取3Ddeformablesolidextrusion类型（如图1） 三、 2.通过Rectangle工具画出一长3，高6的矩形。考虑使用工具栏add-dimension和editdimension 来画出精确长度的模型。强烈建议此矩形的左上角坐标为（0，3），右下角坐标为（3，-3）（如图2） 四、 3.完成后拉伸此矩形，深度为1.（如图3） 五、图1，图2，图3， 4.生成一个新的part，取名为crack，本part选取3Ddeformableshellextrusion类型（如图4）

5.生成一条线，此线的左端点坐标为（0，0.08），右端点坐标为（1.5，0.08） 6.完成后拉伸此线，深度为1.（如图6） 7.保存此模型为XFEMtutor（如图7），以后经常保存模型，不再累述。 8.在partPlate中分别创建4个集合，分别为：all，bottom，top和fixZ，各部分的内容如图8～11所示。

二、Material模块中的操作： 1.创建材料elsa，其弹性参数为E=210GPa，泊松比为0.3（如图12） 最大主应力失效准则作为损伤起始的判据，最大主应力为84.4MPa（如图13）

损伤演化选取基于能量的、线性软化的、混合模式的指数损伤演化规律，有关参数为 G1C=G2C=G3C=42200N/m， =1.（如图14） 2.创建一个SolidHomogeneous的section，名为solid（如图15），此section与材料elsa相联（如图16），并将此section赋给platepart（也就是集合all）（如图17） 3.赋予材料取向，分别如图18～21所示。

有限元复习重点

●有限元起源于20世纪50年代中期航空工程中飞机结构的矩阵分析。 ●有限元基本思想：在力学模型上将一个原来连续的物体离散成为有限个具有一定大小的单元，这些单元仅在有限个节点上相连接，并在节点上引进等效力以代替实际作用于单元上的外力。对于每个单元,根据分块近似的思想，选择一种简单的函数来表示单元内位移的分布规律，并按弹性理论中的能量原理(或用变分原理)建立单元节点力和节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种关系式集合起来，就得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，解这些方程组就可以求出物体上有限个离散节点上的位移。 “一分一合”，化整为零，集零为整，把复杂的结构看成由有限个单元组成的整体。 ●单元、节点、边界：采用8节点四边形等参数单元把受力体划分成网格，这些网格称为单元；网格间互相连接的点称为节点；网格与网格的交界线称为边界。节点数和单元数目是有限的。 ●有限元法的优点：（1）理论基础简明，物理概念清晰，且可在不同的水平上建立起对该法的理解。(2) 具有灵活性和适用性，应用范围极为广泛。(3) 该法在具体推导运算中，广泛采用了矩阵方法，便于实现程序设计的自动化。 ●有限单元法分为三类:位移法（以节点位移为基本未知量）、力法（以节点力为基本未知量）和混合法（一部分以节点位移，另一部分以节点力作为基本未知量）。 ●有限元法分析计算的基本步骤可归纳如以下五点。1.结构的离散化（将某个机械结构划分为由各种单元组成的计算模型）在平面问题用三角形、矩形或任意四边形单元。在空间问题用四面体、长方体或任意六面体单元2.单元分析①选择位移模式（位移模式是表示单元内任意点的位移随位置变化的函数式，由于所采用的函数是一种近似的试函数，一般不能精确地反映单元中真实的位移分布）位移模式或位移函数：i n i i a y φ∑=②建立单元刚度方程e e e F k =δ，e 为单元编号；e δ为单元的节点位移向量；e F 为单元的节 点力向量 ；e k 为单元刚度矩阵.③计算等效节点力：用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。3.整体分析：整体的有限元方程F K =δ。K 为整体结构的刚度矩阵；δ为整体节点位移向量；F 为整体载荷向量。4.求解方程，得出节点位移5.由节点位移计算单元的应变与应力 ●有限元中得一个基本近似性是几何近似性 ●有限元中的变量：应力、应变、变形。基本方程有：平衡方程、物理方程、几何方程。边界条件：力边界、位移边界。 ●弹性力学的任务是分析弹性体在受外力作用并处于平衡状态下产生的应 力、应变和位移状态及其相互关系等。 ●外力：体力（分布在物体体积内的力---重力、惯性力、电磁力）、面力（分布在物体表面上的力---流体压力、接触力、风力） ●应力：物体受外力的作用，或由于温度有所改变，其内部将发生内力。

ABAQUS中扩展有限元(XFEM)功能简介

ABAQUS中扩展有限元（XFEM）功能简介 扩展有限元（Extended Finite Element Method）是一种解决断裂力学问题的新的有限元方法，其理论最早于1999年，由美国西北大学的教授Belyschko和Black首次提出，主要是采用独立于网格剖分的思想解决有限元中的裂纹扩展问题，在保留传统有限元所有优点的同时，并不需要对结构内部存在的裂纹等缺陷进行网格划分。 ABAQUS基于在非线性方面的突出优势，在其6.9的版本中开始加入了扩展有限元功能，到6.13做了一些修正，加入了一些可以被CAE支持的关键字。目前为止，除了手动编程，能够实现扩展有限元常用的商业软件只有ABAQUS，今天，我们就来谈谈ABAQUS 中如何实现扩展有限元。 1. XFEM理论 在XFEM理论出现之前，所有对裂纹的静态模拟（断裂）都基本上是采用预留裂缝缺角，通过细化网格仿真裂缝的轮廓。而动态的模拟（损伤）基本上都是基于统计原理的Paris 方法。然而，断裂和损伤的结合问题却一直没有得到有效的解决，究其原因，在于断裂力学认可裂纹尖端的应力奇异现象（就是在靠近裂尖的区域应力值会变无穷大），并且尽可能的绕开这个区域。而损伤力学又没有办法回避这个问题（裂纹都是从尖端开裂的）。 从理论上讲，其实单元内部的位移函数（形函数）可以是任意形状的，但大多数的计算软件都采用了多项式或者插值多项式作为手段来描述单元内部的位移场，这是因为采用这种方法更加便于在编程中进行处理。但是这种方法的缺点就是，由于形函数的连续性，导致单元内部不可能存在间断。直到Belytschko提出采用水平集函数作为手段，其基本形式为 和 上面左边的等式描述了单元内裂缝的位置，右边的等式描述了裂尖的位置。与之对应的形函数便是

abaqus扩展有限元(xfem)例子(裂缝发展) ()

Abaqus扩展有限元(XFEM)例子（裂缝发展） part模块中的操作： 1. 生成一个新的part，取名为plate，本part选取3D deformable solid extrusion类型（如图1） 2.通过Rectangle工具画出一长3，高6的矩形。考虑使用工具栏add-dimension和edit dimension来画出精确长度的模型。强烈建议此矩形的左上角坐标为（0，3），右下角坐标为（3，-3）（如图2） 3. 完成后拉伸此矩形，深度为1.（如图3） 4. 生成一个新的part，取名为crack，本part选取3D deformable shell extrusion类型（如图4）

5.生成一条线，此线的左端点坐标为（0，0.08），右端点坐标为（1.5，0.08） 6 . 完成后拉伸此线，深度为1.（如图6） 7.保存此模型为XFEMtutor（如图7），以后经常保存模型，不再累述。 8. 在part Plate中分别创建4个集合，分别为：all，bottom，top和fixZ，各部分的内容如图

8～11所示 Material模块中的操作： 1 创建材料elsa，其弹性参数为E=210GPa，泊松比为0.3（如图12） 2 最大主应力失效准则作为损伤起始的判据，最大主应力为84.4MPa（如图13）

3.损伤演化选取基于能量的、线性软化的、混合模式的指数损伤演化规律，有关参数为G1C= G2C= G3C=42200N/m，a=1.（如图14） 4.创建一个Solid Homogeneous 的section，名为solid（如图15），此section与材料elsa相

传统木结构的整体有限元分析

传统木结构的整体有限元分析 1.引言 中国古建筑是中华文明的重要组成部分，是中华民族乃至世界建筑艺术的瑰宝，具有极高的文物、历史和艺术价值。而其中的木结构古建筑，不仅蕴含了丰富的历史文化信息，由于其建筑材料和建筑方式的独特性，更有其独特而优良的力学性质。 对这些古建筑的动力特性的研究，从七十年代就已经开始了，但是由于技术的限制，这些研究还远远不够。随着社会的进步，人们也开始对古建筑的维护投入了更多的关注。因此对古建筑的研究也要求进一步的深入。 本文根据2007年1月18日木结构足尺模型振动台实验结果,采用有限元计算软件对木结构动力特性进行计算模拟,并将实验数据与计算值进行对比，希望更深刻地了解木结构建筑的抗震性能和结构耗能减震的基本原理，这对木结构建筑遗产的保护修缮具有重要的意义。 2.木结构整体有限元分析方法 早在1994年Kasal[1]等就利用大型商业有限元软件ANSYS对一层木框架房屋进线性的静力分析。在此模型中，剪力墙被简华成由刚性杆和斜向弹簧组成的桁架模型线性由斜向弹簧的单元特性来实现，而屋面和楼板被简化为超级单元。 2001年，由Slovenia的研究小组提出的Slovenia模型[2][3]将木结构房屋的整体分三个阶段：钉连接模型一墙体模型一木结构房屋整体模型。其研究思路为：先根据D分析剪力墙所得的滞回曲线，将每片墙简化成一个等效支撑框架。定义斜撑单元的参模型的滞回曲线拟合而得到，并采用CANNY-E（采用Newmark 算法）程序对整体行非线性动力时程分析。 3.木结构的整体有限元分析 3.1 足尺寸实验模型概况 本文以日本防灾科学技术研究所兵库抗震工程研究中心进行的足尺寸木结构的振动台实验为原型进行有限元分析。该振动台实验主要研究带墙体覆面板结构自振以及在不同地震波程度下的动力特性。模型标准层结构平面布置层高为2.93m，柱横向间距和纵向间距均为1.92m，采用以杉木为原材料的木框架结构。柱截面和基础梁截面均为120mm×120mm，屋面外框梁截面120mm×270mm，次梁截面为120mm×210mm，其梁和柱均为榫卯连接，墙面板为干式土壁覆面板。 3.2 有限元计算模型 本工作希望从数值方法出发，用简单有效的方法，建立木结构的有限元计算模型，对其动力特性进行计算模拟，并结合实验数据评判模型。 建立的有限元计算模型主要包括以下几个方面： （1）基础模拟。地震波在地表传播时，地基是一个变形体，地震发生时结构基础处各点的运动是不同的。但是，对于一般建筑物，其长度远小于地震波的波长(它和场地介质的情况有关)，因此通常情况下将建筑物的地基近似看作刚性盘体是合理的[8]。因此在本次实验中，基础梁是固定在振动台上，计算模型中假定基础为刚性连接。 （2）木框架模拟。实验中的木结构框架可视为一种梁柱结构体系。梁柱之间上下叉接，左右卡连，如图3所示是实验中梁柱榫卯连接。榫卯连接是介于刚接与铰接之间的半刚性连接，在进行有限元分析时，通常的方法是用空间二节点虚拟弹簧单元来模拟这种半刚性连接性质。在同一空间位置的梁柱各端部节点与相应梁柱构件各自对应，并选择合适的自由度赋予弹簧刚度参数，形成半刚性连接[5]。因此，在计算模型中，柱一柱、梁一梁和梁一柱之间用弹簧单元来实现它们之间半刚性的连接。 考虑到木构架材质主要发挥其顺纹力学性质，可以将材料近似看作各向同性。参考文献[4]本文采用的木构架材料弹性模量15.5×109Pa,密度为3766kg/m3,泊松比0.25。 （3）屋面板单元。实验模型中屋面刚度很大，可以认为是刚性的，因此用Shell63单元固接在屋面梁上模拟。屋面上的配重在剪力有限元模拟过程中，利用质量单元Mass21模拟，将屋盖配重按面积等效原则

裂纹扩展的扩展有限元(xfem)模拟实例详解

基于ABAQUS 扩展有限元的裂纹模拟 化工过程机械622080706010 李建 1 引言 1.1 ABAQUS 断裂力学问题模拟方法 在abaqus中求解断裂问题有两种方法（途径）：一种是基于经典断裂力学的模型；一种是基于损伤力学的模型。 断裂力学模型就是基于线弹性断裂力学及其基础上发展的弹塑性断裂力学等。如果不考虑裂纹的扩展，abaqus可采用seam型裂纹来分析(也可以不建seam，如notch型裂纹)，这就是基于断裂力学的方法。这种方法可以计算裂纹的应力强度因子，J积分及T-应力等。 损伤力学模型是指基于损伤力学发展而来的方法，单元在达到失效的条件后，刚度不断折减，并可能达到完全失效，最后形成断裂带。这两个模型是为解决不同的问题而提出来的，当然他们所处理的问题也有交叉的地方。 1.2 ABAQUS 裂纹扩展数值模拟方法 考虑模拟裂纹扩展，目前abaqus有两种技术：一种是基于debond的技术（包括VCCT）；一种是基于cohesive技术。 debond即节点松绑，或者称为节点释放，当满足一定得释放条件后（COD 等，目前abaqus提供了5种断裂准则），节点释放即裂纹扩展，采用这种方法时也可以计算出围线积分。 cohesive有人把它译为粘聚区模型，或带屈曲模型，多用于模拟film、裂纹扩展及复合材料层间开裂等。cohesive模型属于损伤力学模型，最先由Barenblatt 引入，使用拉伸-张开法则（traction-separation law）来模拟原子晶格的减聚力。这样就避免了裂纹尖端的奇异性。Cohesive 模型与有限元方法结合首先被用于混凝土计算和模拟，后来也被引入金属及复合材料。Cohesive界面单元要服从cohesive 分离法则，法则范围可包括粘塑性、粘弹性、破裂、纤维断裂、动力学失效及循环载荷失效等行为。 此外，从abaqus6.9版本开始还引入了扩展有限元法（XFEM），它既可以模拟静态裂纹，计算应力强度因子和J积分等参量，也可以模拟裂纹的开裂过程。被誉为最具有前途的裂纹数值模拟方法。本文将利用abaqus6.9版本中的扩展有限元法功能模拟常见的Ⅰ型裂纹的扩展。 2 Ⅰ型裂纹的扩展有限元分析 本文针对断裂力学中的平面Ⅰ型裂纹扩展问题用abaqus中的扩展有限元方法进行数值模拟，获得了裂纹扩展的整个过程，裂尖单元的应力变化曲线，以及裂纹尖端塑性区的形状。在此基础上绘制裂纹扩展的能量历史曲线变化趋势图。

abaqus中xfem扩展有限元教程

abaqus 中xfem扩展有限 元教程

part 模块中的操作: 1. 生成一个新的 part ，取名为 plate ，本 part 选取 3D deformable solid extrusion 类型 （如图1） 2. 通过Rectangle 工具画出一长 3，高6的矩形。考虑使用工具栏 add-dimension 和edit dimension 来画出精确长度的模型。强烈建议此矩形的左上角坐标为（ 0, 3），右下角坐标 为（3，-3）（如图2） 3.完成后拉伸此矩形，深度为 1.（如图3 ）3D '、2D Planw I ' Axisymmetric Tyre Options ” Di scr^te ri gi >1 f'■ Analytical ri

4.生成一个新的 part ，取名为 crack ，本 part 选取 3D deformable shell extrusion 类型 (如图4) 叩刊网扌 rr Ack M ud-el L iLg. Spa-j-e (*) 3D { ' 29 Pl war ( ) Ajci symmetri c Typ? @ H 栏 ￡oir.ahle： :；Di 5?r ?tc ari gi d Cj An>lytic41 rigid ■.. j Euler i an Opti QKS None available Q hl 迥 ⑥*1】 ■：.\ Wire (.Poiitt Base Feature Type Planar Ez trusi on Rezolution Swsep Xppr^MiTatt =it e Cine el 5.生成一条线，此线的左端点坐标为( 0, 0.08 ),右端点坐标为(1.5 , 0.08 )

ABAQUS平台的扩展有限元方法模拟裂纹实现

ABAQUS平台的扩展有限元方法模拟裂纹实现 1.1 扩展有限元方法（XFEM）在ABAQUS上的实现 ABAQUS中XFEM的实现，两个步骤最为关键： 1、选择模型中可能出现的裂纹区域，将其单元设为具有扩展有限元性质的enrichment element. 2、其次重要的是选择恰当的破坏准则，使单元在达到给定的条件破坏，裂纹扩展。 在ABAQUS中模拟裂纹扩展的操作中，需要注意的是： 1、在Property模块，添加损伤演化参数、破坏法则、损伤稳定性参数 2、在Interaction模块，主菜单Special中创建XFEM的enrichment element 对于固定的裂纹模型，采用ABAQUS/STANDARD中使用奇异渐进函数。针对移动的裂纹问题，在XFEM中，有一种方法基于traction-separation cohesive behavior，即使用虚拟节点连续片段法进行移动裂纹建模，ABAQUS/STANDAR D 中用于计算脆性或韧性材料的裂纹初始化和扩展过程的模拟。另外一种cohesive segments method (粘性片段方法)可用于bulk material中的任意路径的裂纹初始化模拟扩展过程，由于裂纹扩展不依赖于单元边界，在XFEM中，裂纹每扩展一次需要通过一个完整单元，避免尖端应力奇异性。除此之外，ABAQUS为拥护提供了自定义子程序，来满足不同建模的需要。ABAQUS/STANDARD中的任意力学本构模型均可用来模拟扩展裂纹的力学特性。 由于XFEM采用的形函数在求解过程中，很容易造成逼近线性相关，极大的增加了收敛难度，到目前为止，能够实现扩展有限元的商业软件只有ABAQUS，但是ABAQUS为了减少求解难度，做了大量简化，因此用ABAQUS 扩展有限元模拟裂纹扩展时，有一些局限[16]： 1.扩展单元内不能同时存在两条裂纹，所以ABAQUS不能模拟分叉裂 纹； 2.在裂纹扩展分析过程中，每一个增量步的裂纹转角不允许超过90度； 3.自适应的网格是不被支持的； 4.固定裂纹中，只有各向同性材料的裂纹尖端渐进场才被考虑。 1.2 数值算例

扩展有限元方法和裂纹扩展

扩展有限元方法和裂纹扩展 1.1 扩展有限元方法（XFEM ）基本理论 1999年，美国Northwestern University 的Belytschko 和Black 领导的研究小 组提出了扩展有限元方法，为解决裂纹这类强不连续问题带来了曙光。他们正式 应用扩展有限元法（XFEM ）这一专业术语是在2000年，截止到目前，扩展有 限元法（XFEM ）成为我们解决强不连续力学问题的最有效的数值计算方法，也 成为计算断裂力学的重要分支。XFEM 在有限元的框架下进行求解，无需对构件 内部的物理界面进行网格划分，具有常规有限元方法的所有优点。它最明显的特 点是用已知的特征函数作为形函数来使传统有限元的位移得到逼近，进而克服了 在裂纹尖端和变形集中处进行高密度网络划分产生的困难，方便地模拟裂纹的任 意路径，而且计算精度和效率得到了显著的提高[6]。 扩展有限元方法是将已知解析解的特征函数作为插值函数增强传统有限元 的位移逼近，来使得单元内的真实位移特性得以体现，裂纹尖端和物理或几何界 面独立于有限元网格。XFEM 主要包括以下三部分内容：首先是不考虑构件的任 何内部细节，按照构件的几何外形尺寸生成有限元网格；其次，采用水平集方法 跟踪裂纹的实际位置；根据已知解，改进影响区域的单元的形函数，来反映裂纹 的扩展。最后通过引入不连续位移模式来表示不连续几何界面的演化。因为改进 的插值函数在单元内部具有单元分解的特性，其刚度矩阵的特点与常规有限元法 的刚度矩阵特性保持一致。单元分解法(Partition Of Unity Method)和水平集法 （Level Set Method ）、节点扩展函数构成了扩展有限元法的基本理论，其中，单 元分解法是通过引入加强函数计算平面裂纹扩展问题，保证了XFEM 的收敛性； 水平集法是跟踪裂纹的位置和模拟裂纹扩展的常用数值方法，任何内部几何界面 位置都可用它的零水平集函数来表示。 (1)单元分解法的基本思想是任意函数()x φ都可以用子域内一组局部函数 ()()x x N I ?表示，满足如下等式： ()()()x x N x I I ?φ∑= （1） 其中，它们满足单位分解条件：f I I ?x ()=1 ()x N I 是有限元法中的形函数，根 据上述理论，便可以根据需要对有限元的形函数进行改进。在XFEM 中，单元 分解的目的是进行数值积分，达到不引人额外的自由度的目的[7-8]。 (2)水平集法 使用水平集法来描述几何间断性。在一般情形下，多用来追踪

有限元计算原理与方法..

1.有限元计算原理与方法 有限元是将一个连续体结构离散成有限个单元体，这些单元体在节点处相互铰结，把荷载简化到节点上，计算在外荷载作用下各节点的位移，进而计算各单元的应力和应变。用离散体的解答近似代替原连续体解答，当单元划分得足够密时，它与真实解是接近的。 1.1. 有限元分析的基本理论 有限元单元法的基本过程如下： 1.1.1.连续体的离散化 首先从几何上将分析的工程结构对象离散化为一系列有限个单元组成，相邻单元之间利用单元的节点相互连接 而成为一个整体。单元可采用各种类 型，对于三维有限元分析，可采用四 面 体单元、五西体单元和六面体 单元等。在Plaxis 3D Foundation 程序中，土体和桩体主要采用包 含6个高斯点的15节点二次楔 形体单元，该单元由水平面为6 节点的三角形单元和竖直面为四 边形8节点组成的，其局部坐标 下的节点和应力点分布见图3.1，图3.1 15节点楔形体单元节点和应力点分布界面单元采用包含9个高斯点的 8个成对节点四边形单元。 在可能出现应力集中或应力梯度较大的地方，应适当将单元划分得密集些；

若连续体只在有限个点上被约束，则应把约束点也取为节点：若有面约束，则应 把面约束简化到节点上去，以便对单元组合体施加位移边界条件，进行约束处理； 若连续介质体受有集中力和分布荷载，除把集中力作用点取为节点外，应把分布 荷载等效地移置到有关节点上去。 最后，还应建立一个适合所有单元的总体坐标系。 由此看来，有限单元法中的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料 的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。因此，用有限元法计算获得的结果 只是近似的，单元划分越细且又合理，计算结果精度就越高。与位移不同，应力 和应变是在Gauss 积分点(或应力点)而不是在节点上计算的，而桩的内力则可通 过对桩截面进行积分褥到。 1.1. 2. 单元位移插值函数的选取 在有限元法中，将连续体划分成许多单元，取每个单元的若干节点的位移 作为未知量，即{}[u ,v ,w ,...]e T i i i δ=，单元体内任一点的位移为{}[,,]T f u v w =。 引入位移函数N (x,y,z )表示场变量在单元内的分布形态和变化规律，以便用 场变量在节点上的值来描述单元内任一点的场变量。因此在单元内建立的位移模 式为： {}[]{}e f N δ= （3-1） 其中：12315[][,,......]N IN IN IN IN =，I 为单位矩阵。 按等参元的特性，局部坐标(,,)ξηζ到整体坐标,,x y z （）的坐标转换也采用 与位移插值类似的表达式。经过坐标变化后子单元与母单元(局部坐标下的规则 单元)之间建立一种映射关系。不管内部单元或边界附近的单元均可选择相同的 位移函数，则为它们建立单元特性矩阵的方法是相同的。因此，对于15节点楔 形体单元体内各点位移在整体坐标系,,x y z （）下一般取：

ABAQUS精选本FEM扩展元例子的详细图解

版本X F E M(扩展有限元)例子的详细图解 一、part模块中的操作： 二、 1.生成一个新的part，取名为plate，本part选取3Ddeformablesolidextrusion类型（如图1） 三、 2.通过Rectangle工具画出一长3，高6的矩形。考虑使用工具栏add-dimension和 editdimension来画出精确长度的模型。强烈建议此矩形的左上角坐标为（0，3），右下角坐标为（3，-3）（如图2） 四、 3.完成后拉伸此矩形，深度为1.（如图3） 五、图1，图2，图3， 4.生成一个新的part，取名为crack，本part选取3Ddeformableshellextrusion类型（如图4）

5.生成一条线，此线的左端点坐标为（0，），右端点坐标为（，） 6.完成后拉伸此线，深度为1.（如图6） 7.保存此模型为XFEMtutor（如图7），以后经常保存模型，不再累述。 8.在partPlate中分别创建4个集合，分别为：all，bottom，top和fixZ，各部分的内容如图8～11所示。

二、Material模块中的操作： 1.创建材料elsa，其弹性参数为E=210GPa，泊松比为（如图12） 最大主应力失效准则作为损伤起始的判据，最大主应力为（如图13）

损伤演化选取基于能量的、线性软化的、混合模式的指数损伤演化规律，有关参数为 G1C=G2C=G3C=42200N/m，=1.（如图14） 2.创建一个SolidHomogeneous的section，名为solid（如图15），此section与材料elsa相联（如图16），并将此section赋给platepart（也就是集合all）（如图17） 3.赋予材料取向，分别如图18～21所示。

abaqus6.8和6.9的新功能

ABAQUS6.9新功能 一、扩展有限元（XFEM）的引入 我认为ABAQUS将扩展有限元引入是其最大亮点，也非常有市场前景。该方法可以认为是有限元方法处理不连续问题的革命性变革。据我所知，这是第一个将XFEM商用化的软件。我厂在生产过程中可能遇到的裂纹问题，夹杂问题，气孔，复合材料问题（复合材料的纤维相当于夹杂）都可以通过这种方法解决。虽然我对该方法的理论不胜了解，但是在此我想就我所知对该方法多做些介绍。+ u! _2 v# n& O& M* P 固体力学中存在两类典型的不连续问题，一类是因材料特性突变引起的弱不连续问题，这类问题以双材料问题和夹杂问题为代表，其复杂性由物理界面处的应变不连续性引起;另一类是因物体内部几何突变引起的强不连续问题，这类问题以裂纹问题为代表，其复杂性由几何界面处的位移不连续性和端部的奇异性引起.物体内部物理界面的脱粘或起裂，是上述两类问题的混合.另外，在复杂流体、复杂传热、物质微结构演化等复杂问题中，也存在许多不连续力学问题。* e4 o5 F2 K4 n& g n3 {4 U 数值方法，如有限元、边界元、无单元法等，一直是处理不连续问题的主要途径.有限元法具有其它数值方法无可比拟的优点，即适用于任意几何形状和边界条件、材料和几何非线性问题、各向异性问题、容易编程等，因而成为数值分析裂纹等不连续问题的主要手段。更为重要的是有限元方法的商业化程度和推广程度都很高，对于我们这样的企业已经有一大批熟悉有限元技术的工程师。因此通过有限元方法来解决这一问题是成本低效率高的途径。但是传统的有限元方法在处理裂纹，夹杂，空隙这些不连续问题时困难非常大。) t, Z- t8 ?2 J+ ~3 f: Q 常规有限元法(CFEM)采用连续函数作为形状(插值)函数，要求在单元内部形状函数连续且材料性能不能跳跃，在处理像裂纹这样的强不连续(位移不连续)问题时，必须将裂纹面设置为单元的边、裂尖设置为单元的结点、在裂尖附近的高应力区需要令人难以接受的网格密度，同时在模拟裂纹生长时还需要对网格进行重新剖分。现在绝大多数商业软件在模拟裂纹扩展问题时都需要预设裂纹的扩展方向，而且在裂纹扩展过程中不断的从新划分网格，效率极低甚至无能为力。在处理多裂纹问题时，其求解规模之大、网格剖分之难是不可想象的。处理夹杂问题时，要求单元的边必须位于夹杂与基体的界面处，即使对于网格自动化程度很高的二维问题这也不容易，更何况拓扑结构更复杂的三维问题。 1999年以来，在有限元框架内发展起来的扩展有限元法，以解决不连续问题为着眼点，对常规有限元法在求解裂纹问题时所遇到的困难提出了近乎完美的解决方案。' G, ]4 z! c/ i$ d2 T 1999年，以美国西北大学Belytschko教授为代表的研究组首先提出扩展有限元思想，20 00年，他们正式使用扩展有限元法(XFEM)这一术语即。XFEM是迄今为止求解不连续力学问题最有效的数值方法，它在标准有限元框架内研究问题，保留了CFEM的所有优点，但并不需要对结构内存在的几何或物理界面进行网格剖分。XFEM与CFEM的最根本区别在于所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难，当模拟裂纹扩展时也无需对网格进行重新剖分。 也就是说在裂纹的扩展过程中裂纹可以穿透单元扩展。就其理论我们可以简单的理解为在单元内部有很多的潜在节点，当需要时这些节点被激活实现裂纹穿透单元扩展。在宣讲会上ABAQUS业务代表现场展示了其用XFEM完成的II裂纹扩展模拟，裂纹面沿70°方向穿透单元扩展 我有个师兄也在从事XFEM方面的研究工作。他在研究中遇到的主要问题是材料中有大小随机的夹杂的时候可能会出现一个单元将一个或多个夹杂完全包围在其中的情况。处理这种

第5章+在ABAQUS中构造有限元模型的若干问题-

第五章 构造有限元模型的若干问题 第三章所述的岩土工程中常用的本构模型可用于以下四种类型的单元中： 1. 平面应变单元 2. 广义平面应变单元 3. 轴对称单元 4. 三维单元 在应用平面应变单元时，只能用子午线作为线性的Drucker-Prager 模型。 考虑非线性变形的轴对称单元具有如下功能：初始变形是轴对称的，在进入非线性变形后，允许产生非轴对称变形，这个功能是十分有用的，比如桩基承受轴向力、水平力和弯矩时，它在r-z 平面上采用标准的插值函数，在与θ有关的方向上采用Fourier 级数插值函数，这类单元可以充分考虑不同方位上变形的差异，其计算结果更接近实际。 考虑流体在多孔介质中的作用时，需采用位移——孔隙压力耦合单元，耦合单元可应用于平面应变单元、轴对称/反对称单元、三维单元。此时，位移与孔隙压力的插值函数可以不同，孔隙压力通常采用线性插值已经足够，位移则可选择线性插值或二次插值。 有限元与无限元相结合来求解考虑这个问题是一个有效的方法。 5-1 广义平面单元 所谓广义平面单元是指位于两个受约束的平面之间的区域，这两个受约束的平面可以如同刚体一般绕轴相互转动，这个转动会导致沿厚度方向上的应变。假定这个应变在厚度方向上与位置无关，则两个平面的相对移动仅仅在厚度方向上引起应变。这样引起的应变以及一阶与二阶变量由下式定义： 设P 0（x 0，y 0）为受约束平面上的一个固定点，P 0到另一个受约束平面的距离为z u t ?+0，其中t 0是初始距离，z u ?是变形过程中产生的位移，z u ?为广义平面元节点自由度的一阶变量。对于用广义平面元进行连结的某一区域而言，只有一个广义平面元节点自由度。不同的连结区域可以有不同的广义平面应变节点，因此两个受约束的平面之间的这个区域可视为一个刚体，该区域中任何其它点（x ，y ）的纤维长度为： y x z Z x Y y u t t φ???φ??+?+=)()(000 （5-1-1） 其中 10)(|)(x x x φ?+φ?=φ? （5-1-2） 10)(|)(y y y φ?+φ?=φ? （5-1-3）

扩展有限元的ABAQUS实现

扩展有限元的ABAQUS实现绪论 常规有限元方法（CEFM）和其他数值方法相比，具有一些无法比拟的优点，但仍存在一些缺陷。比如在解决类似裂纹这样的强不连续问题，由于裂纹尖端处的应力奇异性，导致计算量巨大而且精度不高。然而扩展有限元方法（extended finite element method，XFEM）的出现，和常规有限元方法相比具有显著的优势，使得我们可以在裂尖和应力、变形集中处划分高密度的网格，也可以方便的模拟裂纹的扩展，使计算量不那么巨大，保留了常规有限元法的所有优点。因此，扩展有限元得到了快速发展和应用，而且在裂纹的扩展研究中要的意义。本文开展对扩展有限元方法和裂纹问题的研究，并且基于限元ABAQUS平台，对扩展有限元方法针对裂纹扩展问题进行模拟实现。 21世纪以来，计算机硬件和数值仿真的快速发展以及工业工程实践与科学研究中存在的大量运算需求，世界上涌现出一批大型科研运算及科学模拟软件，能够极大的简化运算问题以及计算机模拟实验，使我们能够更加方便地研究虚拟工程及相关科学问题。有限元方法的出现为数值分析方法的研究带来了新的曙光，力学学科本来就是连接理工学科的桥梁，计算力学是目前力学发展的一个重要分支。有限元软件则是我们到达工程科学领域彼岸的非常重要的工具和桥梁之一。 ABAQUS软件是世界上最强大的大型有限元计算分析软件之一，具有不同种类的单元类型、材料类型和不同的分析过程，拥有很好的计算功能和模拟性能。ABAQUS软件不但可以进行一种部件和复杂物理场的分析，而且可以处理多系统的部件分析；不仅可以分析简单的线弹性问题，还可以处理复杂的非线性组合问题等，相比其它软件具有无可比拟的优势[1,2]。 固体力学中存在的两类不连续问题之一则是因为物体内部几何结构突变引起的强不连续问题，裂纹问题就是这类问题的代表。由于几何界面处的位移不连续性和裂纹尖端的应力奇异性使得这类问题的处理变得比较复杂。有限元方法、无单元方法、边界元方法等是解决不连续问题的重要的数值方法[3]。其中有限元法具有显著的优点，它可以解决各种几何形状、不同的边界条件以及材料的非线性问题和各向异性问题等，然而在处理裂纹这类强不连续问题中，传统的有限元方法有着比较大的弊端，不仅需要将裂纹几何界面设置为单元的边、裂尖设置为单元节点，而且要在裂尖和变形集中的地方进行高密度的网格划分，这些对于求解裂纹问题造成了极大的不便，使得问题变得愈来愈复杂。然而1999年，由美国西北大学以Belyschko代表的研究小组提出的扩展有限元方法（XFEM）为解决裂

abaqus扩展有限元例子

part模块中的操作： 1. 生成一个新的part，取名为plate，本part选取3D deformable solid extrusion类型（如图1） 2.通过Rectangle工具画出一长3，高6的矩形。考虑使用工具栏add-dimension和edit dimension来画出精确长度的模型。强烈建议此矩形的左上角坐标为（0，3），右下角坐标为（3，-3）（如图2） 3. 完成后拉伸此矩形，深度为1.（如图3） 4. 生成一个新的part，取名为crack，本part选取3D deformable shell extrusion类型（如图4） 2009-7-3 09:22:22 上传下载附件(30.84 KB) 5. 生成一条线，此线的左端点坐标为（0，0.08），右端点坐标为（1.5，0.08）

2009-7-3 09:22:23 上传下载附件(27.27 KB) 6 . 完成后拉伸此线，深度为1.（如图6） 7.保存此模型为XFEMtutor（如图7），以后经常保存模型，不再累述。 8. 在part Plate中分别创建4个集合，分别为：all，bottom，top和fixZ，各部分的内容如图8～11所示 Material模块中的操作： 1.创建材料elsa，其弹性参数为E=210GPa，泊松比为0.3（如图12）

2. 3.最大主应力失效准则作为损伤起始的判据，最大主应力为8 4.4MPa（如图13） 4. 损伤演化选取基于能量的、线性软化的、混合模式的指数损伤演化规律，有关参数为G1C= G2C= G3C=42200N/m，a=1.（如图14）