断裂分析及CAE软件的现状与发展

断裂过程贯通宏观、细观和微观等多个层次尺度，涉及固体力学、材料科学和物理学等多个学科领域，是工程构件与装备最主要也最危险的失效破坏形式.美国众议院一份经济调查报告显示，断裂使美国一年损失1 190亿美元，约占1982年美国国内生产总值的4%，而由断裂造成的极其严重的人员伤亡更无法估量.

断裂力学是专门研究含裂纹构件中裂纹的平衡、扩展和失稳规律的学科，是工业革命以来在无数次灾难性事故的总结中逐步产生和发展起来的.如今，断裂力学已成为解决抗断设计、合理选材、预测构件疲劳寿命、制定合理的质量验收标准以及防止断裂事故发生的重要工具之一.然而，目前的断裂分析与设计仍囿于经典的二维断裂理论和经验方法的框架，仅能获得比较可靠的线弹性断裂力学应力强度因子K.

裂纹扩展属于典型的强不连续问题，一直是工程力学分析的热点、重点和难点问题.裂纹萌生并不意味着构件的破坏，但其扩展却对整个结构的失稳或破坏起着控制作用.因此，对断裂及其过程的深入研究和分析十分必要和迫切.计算机仿真作为科学探索的第三大支柱，与实验、理论相并列，但现有的通用有限元软件（如ANSYS等）均将材料视为“无缺陷的均匀连续体”，其研究断裂的普遍做法是将固有裂纹与几何实体并行建模，为确保新的裂纹线或面与单元边界始终一致，在裂纹扩展中必须频繁重分和加密裂尖区网格，数据的准备工作量巨大，计算效率极低.

根据裂纹面切割和修正网格是过去几十年主要的断裂力学计算理论，该方法严重限制构件的几何复杂度.依该方法开发的专业软件有英国的ZenCrack以及美国康奈尔大学的Franc等，前者在进行裂纹扩展分析时必须借助大型商用有限元系统的求解器，对非结构化网格适应性较差；后者以边界元为理论基础，在分析大规模非线性、非均质的复杂问题时效率较低.但这种处理方法的主要“优点”是材料撕裂过程“生动形象”，并且能充分利用现有的通用有限元计算平台，不足之处在于难以直接、高效得到断裂参量（如K，J和G等）.

无网格法可在一定程度上克服裂尖区单元细分的缺陷，计算精度有所提高，一度被认为是求解不连续问题、多尺度问题和极端高梯度问题等的理想计算方法，但仍很难精准模拟新界面和裂纹面的侵入问题，且算法的健壮性和稳定性不足，而计算成本往往数倍于有限元法，因而在断裂工程分析中的应用价值大大降低.最近，以BELYTSCHKO教授为代表的研究组通过富集经典有限元法的位移模式，进而提出扩展有限元法(eXtended Finite Element Method，XFEM)的思想.XFEM保留常规有限元法的所有优点，是迄今为止求解不连续问题最有效的数值方法之一. XFEM与经典有限元法的最根本区别在于其使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服在裂纹尖端进行高密度网格剖分带来的困难，实现不需经繁琐的后处理而直接获得断裂力学重要参量的目标.在最新版本的Abaqus软件中，用户已可以选择尝试XFEM技术研究裂纹扩展过程，充分说明XFEM的有效性与可靠性.然而，XFEM在模拟裂纹扩展时并非十全十美，也存在与无网格法类似的不足，最根本的解决方案仍然是从理论上去掉网格或开发更健壮的网格生成器.

河海大学章青教授认为，计算力学的发展必须走向CAE.当前，工程结构的断裂分析领域还没有一个基于断裂力学理论和方法、采用先进裂纹扩展技术、鲁棒性高的高效计算机仿真系统，如果市场上能推出一款便捷、有效的高级专业断裂失效分析CAE系统，无论是对学术研究还是对工程界都有巨大的吸引力和指标意义.2010年11月，在湖南大学岳麓书院召开的中国科协第223次青年科学家论坛上，我国的科研人员展示一款三维裂纹扩展仿真与分析软件ALOF.该软件以目前最先进、成熟的裂纹扩展算法XFEM为基础，利用具有完全自主知识产权的虚节点法(Virtual Node Method, VNM)，变革过去几十年在裂纹扩展分析中的“根据裂纹面切割网格”技术，使复杂结构中裂纹的高效率、高准确动态扩展仿真分析成为可能.ALOF走的是专业化软件研发的道路.相信通过开源程序的合理利用和良好的市场运作，该软件必将取得成功，并最终实现以点带面的效果，提振我国自主知识产权CAE软件发展的信心和勇气.

断裂力学是机械产品设计、制造和评估的下一代设计与校核理论.如果说20世纪下半叶是材料力学设计理论下有限元软件独步天下的话，那么21世纪上半叶则是断裂力学设计理论下疲劳与断裂力学分析软件大放异彩的50年.

作者简介：吴圣川，1979年生，讲师，硕士生导师. 2009年获华中科技大学-新加坡国立大学机械制造及自动化专业联合培养博士学位. 2010年湖北省优秀博士学位论文获得者，2011年全国百篇优秀博士学位论文候选人，国际计算力学学会会员，安徽省焊接学会秘书.从事轻质高强材料的高能束流焊接及工程结构裂纹扩展商业软件开发.已发表学术论文25篇，担任6家国际学术期刊的审稿专家.主持“国家自然科学青年基金”和“汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金”各1项.

吴玉程，1962年生，教授，材料学博士生导师，博士，合肥工业大学副校长，中国科学院合肥物质科学研究院客座研究员、博士生导师，教育部金属材料和冶金工程教学指导委员会委员，中国仪表材料学会常务理事，中国机械工程学会材料学会理事，安徽省机械工程学会副理事长，安徽省材料与热处理学会理事长，安徽省粉末冶金工程技术中心主任，安徽省纳米材料与应用技术研究中心副主任.承担国家重点基础研究发展计划(“九七三”计划)、国家自然科学基金和教育部博士点基金等项目，从事纳米结构与功能纳米复合材料、粉末冶金与有色金属加工等研究，发表论文100余篇，获中国机械工业科技进步奖和安徽省科技进步奖等，担任多家学术期刊编委，被评为中国机械工业青年科技专家等.

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