基于ABAQUS二次开发的（准）脆性断裂相场法数值模拟研究

作     者：叶海陇 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘正和

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：裂纹扩展 相场法 ABAQUS二次开发 (准)脆性相场法框架 准脆性断裂 载荷-位移软化响应曲线 

摘      要：材料裂纹扩展规律的研究具有重大的理论意义和巨大的工程应用价值,一是能够用于评价结构稳定性,防止灾难性事故发生;二是能够指导设计工程压裂技术方案,对裂缝形态进行预测,优化工艺参数,实现煤矿顶板定向压裂垮落和石油、煤层气、页岩气等矿产资源的高效产出。ABAQUS是主流有限元商业软件之一,其用户界面友好,单元类型丰富,特别是擅长于模拟固体材料的非线性破坏,但其内置的断裂分析模块主要为黏聚型单元和扩展有限元,虽然可以模拟少数裂纹的偏转,但难以模拟裂纹的分叉、交融等复杂裂缝形态。相场法是近年来兴起的一种新型断裂模拟方法,实现了裂纹的萌生、扩展、分叉、融合,在模拟复杂裂纹形态上展现出巨大优势。目前,ABAQUS尚缺少相场法分析模块,而一些实现了相场法的开源有限元程序又由于操作不便,难以使用和推广,因此本文致力于断裂数值计算软件创新开发,结合ABAQUS基础和相场法模型特征,二次开发搭建一种操作简单、便捷使用的(准)脆性相场法框架,其集成多种断裂模式,同时适用于脆性和准脆性断裂数值模拟计算,深入研究脆性、准脆性材料和工程结构内部发生断裂损伤及破坏失效过程中复杂断裂裂纹扩展规律。本论文主要完成的工作及结论如下:(1)基于ABAQUS平台并结合相场法模型特征进行了二次开发,使用内置用户自定义材料模块(UMAT)和外部Fortran语言编写的HETVAl文件,根据断裂问题复杂程度以及收敛条件要求选择有限元算法程序内部解决方案,通过构建的热传递-相场断裂类比方程,让UMAT和HETVAl两部分在算法程序内部实现关联、交互计算,成功搭建了(准)脆性相场法框架。(2)使用ABAQUS二次开发的(准)脆性相场法框架开展了脆性断裂相场法数值模拟研究,初步展示了该框架能够捕获复杂断裂裂纹扩展效果,并得出以下结论:1)在单边缺口平板拉伸、单边缺口平板剪切模型脆性断裂数值模拟计算中,其捕获的断裂裂纹形态、内部力-位移响应曲线数据与文献模拟结果基本一致,验证了(准)脆性相场法框架开展脆性断裂数值模拟计算的稳健性。2)在相同含量非均质复合材料分界面上,断裂裂纹发生了分支现象,其大部分载荷由上部硬质材料承受,且上、下部分材料属性差异超过十倍后,断裂裂纹会出现第二次分支,发生穿层断裂;在不同含量非均质复合材料内部,断裂裂纹绕过硬质材料边界进行曲折扩展,且当硬质材料含量从10%增大到20%、30%,复合材料抵抗断裂破坏的能力不断增强。3)在单孔洞缺陷材料内部,裂纹在新位置处再次成核、扩展,其承载力与位移响应曲线呈现二次加卸载特征,第一次、第二次承受最大载荷分别为518N、128N;多孔缺陷不同水平距离分布、不同排列形式分布、不同垂直距离分布下,在一定范围内对断裂裂纹扩展具有导向作用;在随机多孔缺陷下,断裂裂纹成核、扩展机理比较复杂,可以同时在内部产生多条断裂裂纹实现交叉融合。4)在单级裂纹平板动态损伤演化过程中发生了裂纹动态分支,内部动能曲线呈上升趋势,最大动能达8.5J,而弹性应变能曲线却呈现出前期波动上升、后期下降的趋势,最小弹性应变能为3.8J;不同夹角交叉裂纹的动态分支能力有所不同,夹角为30°、45°、60°时,裂纹分支依次增多,60°交叉裂纹多达7次分支,而之后开始减少,90°交叉裂纹仅3次分支。(3)使用ABAQUS二次开发的(准)脆性相场法框架开展了准脆性断裂相场法数值模拟研究,展示了准脆性断裂过程中复杂断裂裂纹扩展效果,并得出了以下结论:1)在简支梁受三点弯曲载荷准脆性断裂数值模拟计算中,其捕获的相场裂纹形态、内部力-位移响应曲线数据与文献模拟结果基本吻合,验证了(准)脆性相场法框架实施准脆性断裂数值模拟计算的稳定性。2)(准)脆性相场法框架能够捕获岩石类准脆性材料内部Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹、混合加载模式下的Ⅰ/Ⅱ型复合裂纹扩展形态以及不同等级煤质煤岩在断裂过程中特有的载荷-位移软化响应曲线。同时发现随着煤阶的升高,所能承受最大载荷也增大,其软化响应曲线非线性程度逐渐降低;在尺寸效应研究中发现,所能承受最大载荷均随着尺寸增大而增大,但是增大幅度却开始减小,其中弱粘煤承受最大载荷从947N增大到1506N、1824N,增大幅度由59%减小为21%;肥煤从1197N增大到1712N、2345N,增大幅度由43%减小为37%;贫煤从1512N增大到2502N、3300N,增大幅度由65%减小为32%;3)(准)脆性相场法框架适用于简单二维模型和复杂三维模型准脆性断裂分析,捕获到了混凝土在混合加载模式下的Ⅰ/Ⅱ型复合裂纹的扩展行为以及特有的软化响应曲线;4)(准)脆性相场法框架适用于后期预测工程岩体断裂危害分析。在库水溢流作用下,当尾矿库坝体断裂裂纹由一条增加到两条、三条,坝体内部所能承受载荷由20544kN减小到19664kN、18391kN,可见断裂裂纹增多会降低坝体抵抗断裂破坏的能力;不管断裂裂纹在坝体上部还是下部,随着断裂裂纹角度从30°增加到45°、60°,坝体内部所能承受最大载荷均有所增大,其中坝体上部所能承受最大载荷分别从17900kN增大到19700kN、22600kN,增大了1800kN、2900kN,坝体下部所能承受最大载荷分别从23500kN增大到25800kN、29900kN,增大了2300kN、4100kN;而对于坝体整体结构稳定性而言,坝体下部结构较上部更为稳定,抵抗断裂破坏的能力更强