01 应用背景

断裂力学是研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学，固体力学的一个分支，又称裂纹力学，起源于20世纪20年代A.A.格里菲斯对玻璃低应力脆断的研究。其后，国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故，促进了这方面的研究，并于50年代开始形成断裂力学。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小，可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学；根据所研究的引起材料断裂的载荷性质，可分为断裂（静）力学和断裂动力学。

断裂力学的任务是：求得各类材料的断裂韧度；确定物体在给定外力作用下是否发生断裂，即建立断裂准则；研究载荷作用过程中裂纹扩展规律；研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂（即应力腐蚀）问题。

在断裂力学出现以前，根据生产知识的积累，人们曾总结出一些材料的韧性指标，如冷脆转变温度、冲击能量等。它们都是一些定性的经验参量，只能在一定条件下用于评定材料，而不能用于设计。在美国的G.R.欧文等人的努力下，逐步建立起线弹性断裂力学并进而发展出弹塑性断裂力学，提出了一些描述裂纹扩展的参量，如应力强度因子、J积分、裂纹张开位移（COD）等。将它们和传统的强度理论结合起来，可以设计出更安全和更经济的工程结构。因此，在航天、核电工程等领域，断裂力学的应用越来越广泛。

另一方面，由于裂纹顶端的一个很小的区域对于裂纹扩展规律有重要影响，裂纹扩展同材料的—些微观特性，特别是冶金性质（如晶粒大小、二相粒子、位错等）关系极大，这就要求断裂力学在研究中把材料工艺学、冶金学、金属物理学等方面的成果同力学结合起来。随着断裂力学的发展，微观裂纹也已进入研究范围。在研究裂纹扩展规律时，也开始涉及裂纹产生的原因。

在对金属部件进行缺陷评估的时候，我们大致可以分为两类。一类是理论假设的缺陷，例如反应堆压力容器的缺陷分析（图1）：

还有一类就是现实中真正存在的缺陷（图2），例如：转子中存在的缺陷，材料收缩时产生的裂纹以及涡轮叶片中存在的缺陷等等。

更为专业的缺陷研究就是通过实验的方式（图3），通常采用CT试样进行金属材料的裂纹扩展性能研究：

在研究断裂问题的时候，我们免不了会遇到一系列的挑战。首先，在缺陷建模（图4）中，我们需要考虑：1.交叉表面；2.网格自动重塑；3.裂纹前沿网格细化；4.复杂结构。

其次，在塑性损伤建模中，我们需要考虑：1.网格依赖性（图5）；2.体积自锁（图6）；3.网格大变形（图7）。

第三，我们还需考虑到结构效应：从实验室样件尺寸到真实部件全尺寸的转变（图8）。

02 解决办法

在结构仿真中，提供线弹性断裂力学、非线性断裂力学、扩展有限元（XFEM）以及裂纹结构网格处理等功能，可对脆性断裂、延性断裂和裂纹扩展进行仿真分析。

我们基于结构仿真的断裂力学分析模块，在SALOME_MECA中可以实现：

（1）缺陷网格的显性建模：

基于SALOME_MECA中的Zcracks/blocFissure功能，采用DEFI_FOND_FISS命令可以实现缺陷网格的显性建模。

（2）缺陷网格的隐性建模

基于SALOME_MECA中的XFEM功能，采用DEFI_FISS_XFEM命令可以实现缺陷网格的隐性建模。

（3）损伤模型

在结构仿真软件中可以通过定义Rousselier，GTN模型，设置各项材料参数，从而设置断裂分析的不同损伤模型。

（4）内聚力模型（CZM）

结构仿真软件提供了内聚力模型CZM的断裂分析选项。

（5）断裂的操作符

结构仿真软件提供了CALC_G命令，可以计算断裂的能量释放率G。

（6）概率性计算

结构仿真软件提供了POST_ELEM(WEIBULL)命令，可以计算断裂的概率性问题。

（7）脆性断裂：

结构仿真软件提供了CALC_GP命令，可以计算脆性断裂的能量释放率。

03 结论

通过在基于结构仿真的SALOME_MECA平台中进行缺陷模型的断裂分析，得到的断裂分析结果对部件的现实生产应用起到积极的指导意义。

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