在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，疲勞裂紋的產(chǎn)生與擴展是評估構(gòu)件壽命的關(guān)鍵因素。本文將介紹如何利用ABAQUS軟件，結(jié)合XFEM（擴展有限元法）對帶孔板進行疲勞加載模擬，以重現(xiàn)裂紋從產(chǎn)生到擴展的全過程。模型創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分模擬的第一步是構(gòu)建帶孔板的幾何模型。根據(jù)需求自定義板的尺寸與孔徑后，需對模型進行網(wǎng)格劃分——推薦采用六面體網(wǎng)格，以保證計算精度。六面體網(wǎng)格能更準確地傳遞應(yīng)力信息，尤其適合裂紋擴展這類對局部應(yīng)力梯度敏感的場景。圖1帶孔板幾何模型及六面體網(wǎng)格劃分效果材料參數(shù)定義材料屬性的合理設(shè)置是模擬準確性的基礎(chǔ)。本次模擬需定義兩類核心參數(shù)：彈性參數(shù)：采用各向同性模型，設(shè)置楊氏模量為70600，泊松比為0.3；損傷參數(shù)：以最大主應(yīng)力損傷模型為核心，設(shè)定最大主應(yīng)力閾值為390。此外，還可根據(jù)實際需求補充損傷演化規(guī)律、粘性系數(shù)等本構(gòu)關(guān)系，以更貼近材料的真實力學(xué)行為。圖2

材料參數(shù)設(shè)置界面（包含彈性與損傷參數(shù)配置）分析步設(shè)置模擬采用循環(huán)分析步（直接循環(huán)類型），具體參數(shù)如下：時間步長設(shè)為1，最大增量數(shù)100，單次增量大小0.1；最大迭代次數(shù)200，確保非線性問題的收斂；傅里葉項數(shù)可根據(jù)模擬精度需求選擇1、5、11或25等，項數(shù)越多，對循環(huán)載荷的擬合越精細。圖3

循環(huán)分析步參數(shù)設(shè)置界面輸出變量配置為清晰觀察裂紋擴展過程，輸出變量的選擇至關(guān)重要。必須勾選PHILSM（水平集值phi）、PSILSM（水平集值psi）和STATUSXFEM（XFEM單元狀態(tài)），若遺漏這些變量，可能導(dǎo)致計算結(jié)果異常。同時，可根據(jù)需求補充其他變量，如位移（U）、反力（RF）、損傷變量（DAMAGEC、DAMAGET）、應(yīng)變能釋放率（ENRRT）等，以全面評估結(jié)構(gòu)響應(yīng)。圖4

輸出變量設(shè)置界面（標注需強制勾選的關(guān)鍵變量）XFEM裂紋設(shè)置裂紋模擬的核心是XFEM算法的配置：裂紋區(qū)域可選擇在開孔附近（應(yīng)力集中區(qū)）或整塊板，建議預(yù)先對目標區(qū)域創(chuàng)建集合（Set）以便管理；勾選“允許裂紋擴展”，并指定接觸屬性（如INTPROP-1）；富集半徑可采用軟件默認值，或根據(jù)網(wǎng)格密度手動調(diào)整。圖5

XFEM裂紋參數(shù)設(shè)置界面（含區(qū)域選擇與擴展許可配置））載荷與邊界條件邊界條件與載荷設(shè)置需模擬構(gòu)件的實際受力狀態(tài)：一端施加固定約束（位移/轉(zhuǎn)角全約束）；另一端施加循環(huán)載荷（如壓力載荷），載荷幅值通過振幅曲線（如AMP-1）定義，分布形式設(shè)為均勻。圖6

載荷與邊界條件示意圖（顯示固定端與循環(huán)載荷施加位置））計算提交與結(jié)果查看完成上述設(shè)置后提交計算，可在模型結(jié)果模塊中實時監(jiān)控進度。示例結(jié)果顯示，當模擬進行到Step-1的175幀時，總計算時間為8104.5，此時可清晰觀察到裂紋從開孔邊緣起裂并逐漸擴展的形態(tài)，結(jié)合輸出變量可進一步分析裂紋尖端的應(yīng)力分布與損傷演化規(guī)律。圖7帶孔板疲勞裂紋擴展模擬結(jié)果（Step-1第175