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设备断裂损坏仿真是保障工程结构安全的核心技术。无论是航空航天部件的疲劳失效，还是石油钻井中的岩石破碎，或是螺栓连接结构的意外断裂，这些看似突发的灾难往往遵循着精确的力学规律，在实际工程应用中，我们经常在设备出厂前先检测设备当中是否有裂纹，常用手段如无损检测等。如果是设备运行了一段时间之后产生了裂纹，则可以借助Abaqus仿真软件来预测，设备是否可以继续使用，还可以使用多久等！国际上常常使用服役适用性(FFS)评估，来作为判断的依据。
什么是服役适用性（FFS）评估？
对设备进行多学科工程分析，以确定其是否适合继续服役。
对含金属损失、点蚀、裂纹、蠕变等损伤的设备进行评估。
结果：继续运行并监控、需要维修、需要更换。
图：运行中设备的裂纹或损伤
设备断裂仿真是现代工程安全的核心保障。在传统物理试验中，研究者需耗费数月甚至数年时间等待材料疲劳断裂，且难以捕捉瞬间的裂纹扩展机理。数值仿真技术通过建立材料损伤与载荷响应的数学模型，实现了断裂过程的可视化预测与失效参数的量化分析。
Abaqus提供了业内最全面的断裂仿真解决方案。从2009年推出首套断裂仿真培训教程《Modeling with Fracture and Fracture with Abaqus》开始，其方法体系已覆盖十余种断裂模式。
特别在扩展有限元法（XFEM）领域，Abaqus率先实现了非网格依赖的裂缝模拟，无需预设裂缝路径即可预测复杂断裂行为。
二、 Abaqus核心断裂仿真方法及原理
Abaqus中的断裂仿真技术主要分为三大类，每类方法对应特定的物理场景和材料特性：
扩展有限元法（XFEM）：突破传统网格限制的裂缝模拟技术。其核心在于富集函数与水平集方法的应用——通过在单元形函数中增加跳跃函数，描述裂缝面的不连续性，而无需网格与裂缝路径对齐。当材料应力达到损伤阈值时，裂缝可沿任意路径自动扩展。在岩石压裂模拟中，XFEM成功再现了水力裂缝遇天然裂缝时的转向行为，计算效率较传统方法提高40%。
内聚区模型（Cohesive Zone Model）：适用于界面失效与复合材料分层。通过预置零厚度Cohesive单元或接触属性，定义裂缝面的牵引-分离定律。该方法包含三个关键部分：起始准则（如最大应力准则）、损伤演化规律（线性或指数软化）和完全失效准则。东北石油大学实验室通过全局嵌入Cohesive单元，成功模拟了钻头压入岩石时随机裂缝网络的生成过程。
单元删除法（Element Deletion）：主要用于大变形冲击失效。基于渐进损伤理论，当单元达到临界损伤值（D_max）时自动删除。在Abaqus/Explicit中，材料需定义完整的损伤演化规律：
损伤起始准则（如Johnson-Cook准则）
损伤演化模式（基于能量或位移）
最大退化系数（通常设为0.99）
单元删除阈值
方法
适用场景
预设裂缝
计算效率
典型应用
XFEM
任意路径裂缝扩展
可选
中等
金属疲劳、岩石压裂
Cohesive单元
界面分层、复合材料
必需
较高
胶接接头、水力压裂
单元删除法
大变形冲击失效
不需
较低
弹体侵彻、碰撞分析
表：Abaqus断裂方法适用性对比
三、 Abaqus断裂仿真应用案例
以 “低温燃料储罐裂纹” 为例，看仿真如何指导工程实践：
问题：储罐内壁发现裂纹，需判断是否影响安全运行
图：低温储蓄罐
Abaqus解决方案：
关键步骤：
· 用 FEACrack 生成半椭圆裂纹网格，考虑裂纹深度的测量误差（±0.1 英寸）
· 计算不同裂纹尺寸下的 K 值，对比 304 不锈钢的断裂韧性· 通过 FAD 曲线验证：初始裂纹的 Lr/Kr 点位于安全区域，但循环载荷下会缓慢扩展
图：裂纹计算曲线图
图：裂纹扩展云图
结论：预测裂纹需 5000 次循环达到临界尺寸，建议每 3000 次循环停机检测。
网格质量：裂纹前沿需细化网格（至少 10 个单元）
多裂纹相互作用：如蒸汽鼓的多加强筋裂纹，需通过 “绑定接触” 模拟裂纹间的力学影响，避免简化模型导致的误差
图：多处加强筋中的裂纹
残余应力影响：焊接后的残余应力可能加速裂纹扩展，需在仿真中叠加焊接过程的应力场（可通过热 - 结构耦合分析获取）
设备断裂仿真不是 “纸上谈兵”，而是将断裂力学理论、数值计算工具与工程经验结合的实用技术。从几何建模到裂纹扩展预测，每一步都需要紧扣设备的实际工况 —— 毕竟，仿真的最终目标不是得到一组数据，而是让每一台设备都能在安全的前提下高效运行。