ANSYS 与 ABAQUS 中断裂力学的对比（二）

在断裂分析中，裂纹扩展指的是裂缝的大小会随着载荷的加大而扩展，与静止裂缝不同的是，在裂纹扩展过程中，需要不断的计算裂纹扩展指标（例如 G、K 等），并且要随着重置裂缝的初始状态。

一般说来，模拟裂纹扩展有以下几种方法：

• a. 单元删除的方法：这个方法相当原始，其思路就是对裂缝路径上创建单元，当结构受力达到破坏准则的时候，对路径上的单元进行杀死（element death），即可形成裂缝，当然，在这项技术发展的后期，为了防止裂缝单元过小而导致计算太慢（为了保证裂缝的形态，单元必须很小才可以），采用粘结单元（cohesive element）减小这种效应，也是一种不错的改进。
• b. 释放节点的方法：这种方法也是比较通用，其思路就是对裂缝路径上的单元进行绑定（MPC），当结构受力达到破坏准则的时候，释放约束住的节点，形成裂缝扩展这个现象。
• c. 虚拟接触的方法：这个方法和释放节点的方法就非常类似了，只不过产生约束的不是 MPC，而是绑定接触（bonded contact），当结构受力达到破坏准则时，接触失效，实现裂缝的扩展。
• d.XFEM 方法：扩展有限元方法（extended finite element method）当然是这几种方法中最新的了，ABAQUS 在 6.9 版本中首先添加了此功能，ANSYS 在 17.0 的时候也增加了这个技术，此外据说 LS-DYNA 也有这个功能，但是我没有找着，不过 LS-DYNA 做单元失效那么简单，这个功能不要也罢。

扩展有限元方法原理网上都有解释，简单几句也说不清楚，但效果却很明显，就是实现了裂缝在单元内部的生成，同时其扩展方向也可随意发展，不需要特意指定扩展路径，这个功能显然更为接近真实的情况，所以现在发展的非常流行。

接下来，就分别从上述思路介绍 ANSYS 和 ABAQUS 的区别。

1.ANSYS

1.1.Interface delamination:

ANSYS 提供了 Interface delamination 工具实现节点自由度的释放，它支持两种方法，分别是 VCCT 和 CZM 方法，其实就是对应于两种断裂准则。

在创建模型的时候，对裂缝扩展路径上设置界面单元（interface element），将扩展路径上的单元节点进行 MPC 绑定，当 interface element 的受力达到破坏准则时，释放 MPC 的约束，实现节点的张开，宏观上就出现裂缝的逐步扩展的效果。

这个方法现在可以在 WorkBench 中实现，裂缝路径需要通过 match control 进行设置，其便利程度相较 APDL 还是方便了很多。

1.2.Contact debonding:

ANSYS 还提供了一个 Contact debonding 的功能模拟裂缝，其效果和 Interface delamination 方法非常类似，凭肉眼怕是看不出差别的，但原理上却大相径庭。

Interface delamination 方法是通过释放节点约束实现裂缝扩展，而 Contact debonding 相当于是释放绑定约束实现裂缝扩展，一个通过 interface element 读取断裂指标，一个通过 contact element 读取。

还有一点区别就是，Contact debonding 方法只支持 CZM 的破坏准则，其效果如下：

1.3.XFEM 方法：

ANSYS 目前支持 XFEM 的单元有 PLANE182 单元和 SOLID185 单元，但目前不能通过 WorkBench 实现 XFEM 功能。

ANSYS 可以实现两种方式的 XFEM，包括 Phantom-node method 和 Singularity-based method，两者的区别在于裂缝尖端是否能够停留在单元内部。

1.4 两种方法的区别

在同类软件中，这个技术还是很犀利的，因为很多软件实现 XFEM 方法都无法让裂尖停留在单元内部，在 XFEM 方法所采用的富集单元（enrichment element）中，裂尖和裂缝是采用不同的水平集函数（level set function）表达的，所以我猜想是没有考虑裂尖形函数的原因，但具体的就没有细究了。

在定义初始裂缝的时候 ANSYS 就显得有点笨拙了，它采用 XFDATA 命令定义初始裂缝位置，但定义的方式是通过计算与单元四个节点的距离实现。

这个过程较为麻烦，但也算是能够实现裂缝的扩展。

2.ABAQUS

2.1.Cohesive element& Cohesive behavior

前面说过，在采用单元删除的方法模拟裂缝的时候会遇到一个无法避开的问题，就是如果要精确模拟裂缝尺寸，那么势必会要求单元尺寸极小，这导致计算的成本很高，而且网格划分也带来了工作量。ABAQUS 引入了粘结单元（cohesive element）解决这个问题，粘结单元的结构和实体单元完全一致，但只在厚度方向上有刚度，因此其厚度可以设置的极小，不受长宽比的限制。