一文读懂Abaqus如何仿真设备的断裂损坏

发布日期：

2025-08-15 11:44:06

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在现代工程领域，90%以上的结构失效始于微小裂缝的扩展，而Abaqus的断裂仿真技术正成为预测这类失效的关键工具。

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。

运行中设备的裂纹或损伤

图：运行中设备的裂纹或损伤

一、断裂仿真意义与Abaqus技术背景

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

低温储蓄罐

图：低温储蓄罐

Abaqus解决方案：

仿真输入：储罐直径 109 英寸，壁厚 0.45 英寸，材料为 304 不锈钢，低温工况（-423°F），内压波动在 35-105 psi

图：仿真模型建立
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