ANSYS與ABAQUS中斷裂力學的對比（二）

二、裂紋擴展方法

在斷裂分析中，裂紋擴展指的是裂縫的大小會隨著載荷的加大而擴展，與靜止裂縫不同的是，在裂紋擴展過程中，需要不斷的計算裂紋擴展指標（例如G、K等），並且要隨著重置裂縫的初始狀態。

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一般說來，模擬裂紋擴展有以下幾種方法：

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a.單元刪除的方法：這個方法相當原始，其思路就是對裂縫路徑上創建單元，當結構受力達到破壞準則的時候，對路徑上的單元進行殺死（element death），即可形成裂縫，當然，在這項技術發展的後期，為了防止裂縫單元過小而導致計算太慢（為了保證裂縫的形態，單元必須很小才可以），採用粘結單元（cohesive element）減小這種效應，也是一種不錯的改進。

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b.釋放節點的方法：這種方法也是比較通用，其思路就是對裂縫路徑上的單元進行綁定（MPC），當結構受力達到破壞準則的時候，釋放約束住的節點，形成裂縫擴展這個現象。

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c.虛擬接觸的方法：這個方法和釋放節點的方法就非常類似了，只不過產生約束的不是MPC，而是綁定接觸（bonded contact），當結構受力達到破壞準則時，接觸失效，實現裂縫的擴展。

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d.XFEM方法：擴展有限元方法（extended finite element method）當然是這幾種方法中最新的了，ABAQUS在6.9版本中首先添加了此功能，ANSYS在17.0的時候也增加了這個技術，此外據說LS-DYNA也有這個功能，但是我沒有找著，不過LS-DYNA做單元失效那麼簡單，這個功能不要也罷。

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擴展有限元方法原理網上都有解釋，簡單幾句也說不清楚，但效果卻很明顯，就是實現了裂縫在單元內部的生成，同時其擴展方向也可隨意發展，不需要特意指定擴展路徑，這個功能顯然更為接近真實的情況，所以現在發展的非常流行。

接下來，就分別從上述思路介紹ANSYS和ABAQUS的區別。

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ANSYS：

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1.Interfacendelamination:

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ANSYS提供了Interface delamination工具實現節點自由度的釋放，它支持兩種方法，分別是VCCT和CZM方法，其實就是對應於兩種斷裂準則。

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在創建模型的時候，對裂縫擴展路徑上設置界面單元（interface element），將擴展路徑上的單元節點進行MPC綁定，當interface element的受力達到破壞準則時，釋放MPC的約束，實現節點的張開，宏觀上就出現裂縫的逐步擴展的效果。

這個方法現在可以在workbench中實現，裂縫路徑需要通過match control進行設置，其便利程度相較APDL還是方便了很多。

2.Contactndebonding:

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ANSYS還提供了一個Contact debonding的功能模擬裂縫，其效果和Interface delamination方法非常類似，憑肉眼怕是看不出差別的，但原理上卻大相徑庭。

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Interface delamination方法是通過釋放節點約束實現裂縫擴展，而Contact debonding相當於是釋放綁定約束實現裂縫擴展，一個通過interface element讀取斷裂指標，一個通過contactnelement讀取。

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還有一點區別就是，Contactndebonding方法只支持CZM的破壞準則，其效果如下：

3.XFEM方法：

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ANSYS目前支持XFEM的單元有PLANE182單元和SOLID185單元，但目前不能通過workbench實現XFEM功能。

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ANSYS可以實現兩種方式的XFEM，包括Phantom-nodenmethod和Singularity-based method，兩者的區別在於裂縫尖端是否能夠停留在單元內部。

兩種方法的區別

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在同類軟體中，這個技術還是很犀利的，因為很多軟體實現XFEM方法都無法讓裂尖停留在單元內部，在XFEM方法所採用的富集單元（enrichment element）中，裂尖和裂縫是採用不同的水平集函數（level set function）表達的，所以我猜想是沒有考慮裂尖形函數的原因，但具體的就沒有細究了。

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在定義初始裂縫的時候ANSYS就顯得有點笨拙了，它採用XFDATA命令定義初始裂縫位置，但定義的方式是通過計算與單元四個節點的距離實現。

這個過程較為麻煩，但也算是能夠實現裂縫的擴展，其效果如下圖所示

圖中裂縫周邊的單元劃分較為密集，就是富集單元的集合。

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ABAQUS：

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1.Cohesivenelement& Cohesive behavior

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前面說過，在採用單元刪除的方法模擬裂縫的時候會遇到一個無法避開的問題，就是如果要精確模擬裂縫尺寸，那麼勢必會要求單元尺寸極小，這導致計算的成本很高，而且網格劃分也帶來了工作量。ABAQUS引入了粘結單元（cohesive element）解決這個問題，粘結單元的結構和實體單元完全一致，但只在厚度方向上有剛度，因此其厚度可以設置的極小，不受長寬比的限制。

這樣一來，在不用縮小裂縫周邊單元尺寸的前提下，就能模擬出較為真實的裂縫，這裡放一個simwe上的例子

後來ABAQUS將粘結單元的技術完全移植到了接觸上，取名為cohesive behavior，這個方法相比前者更為簡單，只需要對裂縫路徑上的單元設置接觸即可，和ANSYS的contact debonding非常類似，由於效果與conhesive element完全一樣，這裡就不再貼圖了。

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2.VCCT

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ABAQUS的VCCT法與ANSYS的interface delamination的原理是一致的，都是釋放節點實現裂縫的擴展，但是ABAQUS的VCCT法支持的斷裂準則更多

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? nCritical stress criterion

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? nCrack opening displacementncriterion

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? nCrack length vs. time criterion

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? nVCCT criterion

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? nLow-cycle fatigue criterion

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與ANSYS不同的是，ABAQUS中VCCT的初始綁定位置不是通過interface element進行定義的，而是通過bonded contact定義的，還有一點就是ABAQUS的VCCT方法可以支持基於paris法則的低周疲勞方法，而我看到的ANSYS中疲勞裂紋擴展只能用在XFEM方法中，這個在第三部分會具體說到。

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ABAQUS的這個方法也是非常經典，網上有很多例子，隨便貼一個案例圖片吧

3.XFEM方法：

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ABAQUS應該是最早添加XFEM功能的FEA軟體吧，相比ANSYS而言，最大的優勢在於初始裂縫的定義，ABAQUS可以通過插入殼單元模擬裂縫的初始位置，非常方便

當然，該方法也有缺陷，我在之前的回答中也提到過，首先就是裂縫的尖端不能停留在單元內部，我記得這個缺陷在ABAQUS早期版本的幫助中提到過，但現在的版本（6.14.1）中沒有提及

不過我經過測試，確實不能停留下來，如果有人發現有我沒有用到的功能，還請留言指正一下。

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三、疲勞裂紋擴展

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在FEA軟體中，疲勞分析方法與專門的疲勞分析軟體的分析方法是完全不同的，一般都是基於paris法則或者paris法則的變種（比如Austin法則，welker法則等）進行的，ANSYS和ABAQUS也不例外，只不過ANSYS的paris法則基於應力強度因子的幅值，而ABAQUS基於能量釋放率的幅值。

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在ANSYS中，只有XFEM方法可以支持疲勞裂縫擴展。在ABAQUS中，VCCT和XFEM方法都可以支持（雖然這個算不上多大優勢），由於ANSYS workbench並不能支持XFEM，所以疲勞分析也必須在APDL中實現。ABAQUS在模擬XFEM時完全可以CAE操作，但疲勞的破壞準則也需要手動添加，在edit keyword中添加一行

*FRACTURE CRITERION, TYPE=FATIGUE

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（又用這個圖了，從圖片上看兩張裂縫是沒啥區別的）

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做個總結吧：現在軟體真是同質化的厲害，前些年還是有很大差別的一些功能，最近幾年在相互學（抄）習（襲）下也差異不大了，本篇還是從整體功能上說一下差異，具體孰優孰劣大家自己評價吧（為了不得罪人），具體深層次的東西都沒有展開，因為那樣的話要寫下的東西實在太多了。

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因為只能在下班後才能抽出時間，加上大多數功能我又重現了一遍，這篇文章斷斷續續花了我幾個月的時間，也算是對自己的一個總結吧。以前在學習斷裂的時候一直缺乏將斷裂力學和有限元進行結合的書籍，深知這方面知識的匱乏，如果有可能的話，希望自己能夠根據ANSYS Mechanical APDL Fracture Analysis Guide和ABAQUS Analysisnuser』s guider FRACTURE總結一些具體的方法形成文檔，當然是後話了。

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本篇寫的比較粗糙，simwe上有許多大神比如 yaooay，敦誠，ABA-ABA等等，都有深刻的見解，大家可以去參考一下，只不過近些年simwe風光不再，大神們也不知所蹤，算是CAE的一個遺憾了。

一家所言，不對的地方還請指正，另外這篇對比的文章不要轉載了，擴散出去估計兩家都得罪了 ^0^

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