Abaqus显式分析案例

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。 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