基于 ABAQUS 的带孔板疲劳裂纹扩展模拟方法
在结构力学分析中，疲劳裂纹的产生与扩展是评估构件寿命的关键因素。本文将介绍如何利用 ABAQUS 软件，结合 XFEM（扩展有限元法）对带孔板进行疲劳加载模拟，以重现裂纹从产生到扩展的全过程。
模型创建与网格划分
模拟的第一步是构建带孔板的几何模型。根据需求自定义板的尺寸与孔径后，需对模型进行网格划分 —— 推荐采用六面体网格，以保证计算精度。六面体网格能更准确地传递应力信息，尤其适合裂纹扩展这类对局部应力梯度敏感的场景。
图 1 带孔板几何模型及六面体网格划分效果
材料参数定义
材料属性的合理设置是模拟准确性的基础。本次模拟需定义两类核心参数：
弹性参数
：采用各向同性模型，设置杨氏模量为 70600，泊松比为 0.3； 损伤参数
：以最大主应力损伤模型为核心，设定最大主应力阈值为 390。
此外，还可根据实际需求补充损伤演化规律、粘性系数等本构关系，以更贴近材料的真实力学行为。
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图 2 材料参数设置界面（包含弹性与损伤参数配置）
分析步设置
模拟采用循环分析步（直接循环类型），具体参数如下：
时间步长设为 1，最大增量数 100，单次增量大小 0.1； 最大迭代次数 200，确保非线性问题的收敛； 傅里叶项数可根据模拟精度需求选择 1、5、11 或 25 等，项数越多，对循环载荷的拟合越精细。
图 3 循环分析步参数设置界面
输出变量配置
为清晰观察裂纹扩展过程，输出变量的选择至关重要。必须勾选 PHILSM（水平集值 phi）、PSILSM（水平集值 psi）和 STATUSXFEM（XFEM 单元状态），若遗漏这些变量，可能导致计算结果异常。
同时，可根据需求补充其他变量，如位移（U）、反力（RF）、损伤变量（DAMAGEC、DAMAGET）、应变能释放率（ENRRT）等，以全面评估结构响应。
图 4 输出变量设置界面（标注需强制勾选的关键变量）
XFEM 裂纹设置
裂纹模拟的核心是 XFEM 算法的配置：
裂纹区域可选择在开孔附近（应力集中区）或整块板，建议预先对目标区域创建集 合（Set）以便管理； 勾选 “允许裂纹扩展”，并指定接触属性（如 INTPROP-1）； 富集半径可采用软件默认值，或根据网格密度手动调整。
图 5 XFEM 裂纹参数设置界面（含区域选择与扩展许可配置））
载荷与边界条件
边界条件与载荷设置需模拟构件的实际受力状态：
一端施加固定约束（位移 / 转角全约束）； 另一端施加循环载荷（如压力载荷），载荷幅值通过振幅曲线（如 AMP-1）定义，分布形式设为均匀。
图 6 载荷与边界条件示意图（显示固定端与循环载荷施加位置））
计算提交与结果查看
完成上述设置后提交计算，可在模型结果模块中实时监控进度。示例结果显示，当模拟进行到 Step-1 的 175 帧时，总计算时间为 8104.5，此时可清晰观察到裂纹从开孔边缘起裂并逐渐扩展的形态，结合输出变量可进一步分析裂纹尖端的应力分布与损伤演化规律。
图 7 带孔板疲劳裂纹扩展模拟结果（Step-1 第 175 帧的裂纹形态））
通过上述步骤，可利用 ABAQUS 准确模拟带孔板在疲劳载荷下的裂纹行为，为结构的寿命评估与优化设计提供可靠依据。
来源：仿真老兵
