本書詳細介紹了材料和結構斷裂與損傷模擬的基本理論、數值算法、典型模型和分析,涉及裂紋顯式建模、裂紋尖端奇異性模擬、圍道積分計算、漸進損傷和失效模擬、內聚力區模型、虛擬裂紋閉合技術、擴展有限單元法和相場法等; 包含豐富的斷裂和損傷仿真算例,方便讀者快速掌握相關的模擬方法,為科研人員提供了掌握復雜的斷裂損傷模擬技術的實用資料。本書可作為從事斷裂與損傷研究的科研工作者的參考書籍,也可作為高校有限元相關課程的輔助教材。
本書內容深入淺出，易于學習，書中提供了大量的斷裂和損傷仿真的基礎理論知識、分析實例和模型文件，并配以二維碼資源（彩圖 相關程序文件），可供讀者快速掌握建模方法。
斷裂和損傷失效是導致工程構件發生災難性事故的先兆，特別是重大軍事工程構件、重要基礎設施安全防護結構和精密儀器設備的關鍵核心部件等。研究材料和結構在準靜態和動態載荷作用下的斷裂和損傷失效過程對于認識材料的失效行為和預防災難性事故的發生具有重要的科學研究意義和工程應用價值。隨著計算機硬件水平的快速提高和有限元技術的快速發展，數值模擬成為研究斷裂和損傷問題的重要手段，并被廣泛采用，對解決實際工程中的各種問題起到了至關重要的作用。
然而，斷裂和損傷問題的數值模擬由于涉及復雜的斷裂和損傷力學知識和特殊的有限元格式，一直是各種工程問題的難點，其仿真模型的建立、關鍵參量的計算方法、復雜斷裂形態的再現和高效數值技術的運用，均需要工程技術人員在掌握一定斷裂和損傷力學基礎的同時，熟悉有限元格式和建模細節。基于此，作者結合近年來在斷裂與損傷數值模擬方面的經驗和積累，參考相關文獻，將相關工程分析實例和成果總結完善，盡可能全面和詳細地向讀者介紹斷裂與損傷問題模擬仿真的基本流程、數值方法、有限元格式和實例分析等。
本書以有限元軟件ABAQUS為數值仿真平臺和工具，重點介紹了斷裂與損傷的數值模擬方法，并基于該軟件給出了豐富的數值案例和建模技巧，以及一些模型的建模文件和源代碼等，可以滿足相關人員對于復雜斷裂和損傷問題的個性化仿真需求，以期助力解決復雜的科學問題和工程技術難題，這也是本書編寫的初衷。
本書共有9章，第1章介紹了斷裂力學的基本概念，包括斷裂模式、線性彈性斷裂力學、非線性斷裂力學和界面斷裂力學的基本知識，為后續斷裂與損傷的數值模擬奠定基礎。第2章介紹了裂紋顯式建模和模擬技術，包括二維和三維空間中的裂紋顯式建模和模擬，以及軸對稱條件下的裂紋建模和模擬。第3章介紹了圍道積分及其計算方法，重點闡述了J積分這一關鍵斷裂參量的計算和輸出方法。第4章介紹了基于損傷力學的材料失效模擬方法，特別是針對金屬材料和纖維增強復合材料的失效問題。第5章介紹了界面失效模擬的常用方法內聚力區方法及其有限元模型，包括基于單元的內聚力區模型和基于表面的內聚力區模型。第6章介紹了虛擬裂紋閉合技術和準則，并基于該技術模擬了雙懸臂梁問題，并與第5章的內聚力區模型進行了比較。第7章針對斷裂力學中的一個重要概念應力強度因子進行了詳細介紹，包括應力外推法、位移外推法、虛擬裂紋閉合法和相互作用積分法等計算方法。第8章和第9章分別介紹了兩種結構斷裂和損傷模擬領域的新興數值方法擴展有限單元法和斷裂相場法，以及這兩種方法基本的有限元格式和相應的數值算例。
本書內容涵蓋了斷裂與損傷建模、仿真的許多方面，既有斷裂力學的基本理論和概念，又有各種斷裂與損傷問題的建模方法和技巧； 既有準靜態斷裂過程分析，又有爆炸和沖擊載荷下的瞬態絕熱剪切失效分析； 既有成熟的內聚力區裂紋模型和圍道積分模型，又有擴展有限元法和斷裂相場法等最新的斷裂模擬數值方法，內容非常豐富。讀者朋友可以針對自己的學習和科研需求選擇部分或全部內容學習。在閱讀的過程中，可以配合本書的分析案例和章首二維碼中的資源，邊操作邊學習，快速掌握相關知識和技巧。此外，針對實際工程中的一些典型失效問題，特別是大型結構在復雜載荷下的斷裂失效，本書也進行了一定的研究和案例分析，為讀者理解相關問題提供了很好的視角和見解。
本書主要介紹材料和結構的斷裂與損傷模擬的基本理論、數值方法和典型案例，對使用者的數學、力學和有限元基礎有一定的要求，因此本書適用于從事材料和結構斷裂與損傷研究的科研工作者，如高年級本科生、研究生、高校教師或科研院所的研究人員。書中含有很多有限元相關的基礎知識，以及有限元建模和仿真技巧，也可作為高校有限元相關課程的輔助教材。此外，書中涉及的一些典型工程問題的研究，可以為相關領域的工程研究人員提供特定研究視角，可作為工程研究人員的參考。
在本書的成書過程中，得到了大量的學者、專家、朋友、同行的熱心幫助，包括但不限于： 莊茁教授、柳占立教授、劉小明研究員、高岳博士、胡劍橋博士、曾慶磊博士、張璇博士、韓昊悅、王一帆，在此表示感謝。
在本書編寫的過程中，作者參考了一些斷裂力學和模擬仿真相關的書籍和文檔，這些資料使我們受益匪淺，感謝相關作者和開發者的辛勤勞動。
作者已盡最大努力將材料與結構損傷和斷裂仿真模擬的相關知識和方法盡可能全面、易懂地介紹給讀者，但是仍無法避免書中的錯誤和遺漏之處，敬請廣大讀者和專家學者批評指正。
作者
2024年1月于北京
王濤，北京理工大學副研究員/博士生導師，北京市科協青年托舉人才，主要研究方向為計算固體力學、爆炸沖擊毀傷與防護。任武警某專家組專家、中國兵工學會防爆安檢專委會委員。
黃廣炎，北京理工大學教授/博士生導師，機電學院副院長，爆炸科學與技術國家重點實驗室副主任，英國劍橋大學訪問學者，兼職武警部隊某專家組組長、中國兵工學會防爆安檢專委會副主任委員、公安部警務保障專家、軍委防空反導國防科技專業組專家等學術職務。研究方向為爆炸高效毀傷與安全防護，獲公安部科學技術一等獎（第1名）等，入選國家萬人計劃青年拔尖人才和中國力學學會爆炸力學優秀青年學者，獲評首都精神文明建設獎和入選北京青年榜樣等。
葉璇，清華大學助理研究員，中國科協青年托舉人才，入選中核集團青年英才計劃啟明星項目。主要研究方向為核反應堆工程。擔任《Science China， Physics Mechanics & Astronomy》等期刊青年編委和《Sensors》等期刊審稿人。
熊威，清華大學副研究員，主要研究方向為核反應堆工程。目前已發表學術論文30余篇，主持國家自然科學基金等重要項目10余項。
第1章斷裂力學的基本概念
1.1斷裂力學概述
1.2材料的斷裂機制
1.3線性彈性斷裂力學
1.3.1斷裂模式
1.3.2應力強度因子
1.3.3裂紋尖端的漸進解
1.3.4裂紋尖端的奇異性
1.3.5雙參數斷裂力學
1.3.6關于斷裂韌性的一些討論
1.3.7裂紋擴展的穩定性
1.3.8小范圍屈服
1.3.9斷裂力學中的能量考慮
1.4非線性斷裂力學
1.4.1J積分
1.4.2裂紋尖端張開位移
1.4.3關于HRR場的一些討論
1.4.4裂紋尖端的J主導性
1.4.5過渡缺陷尺寸
1.5混合模式斷裂
1.6界面斷裂力學
第2章裂紋顯式建模和模擬
2.1裂紋建模技術概述
2.1.1裂紋顯式建模的兩種方式
2.1.2裂紋尖端附近的網格要求
2.1.3小應變分析中裂紋尖端的奇異性
2.2二維空間中的尖銳裂紋的建模方法
2.2.1二維板中的傾斜裂紋建模
2.2.2二階四邊形單元模擬裂紋尖端奇異性
2.2.3裂紋尖端網格的周向分辨率
2.2.4一階四邊形單元模擬裂紋尖端奇異性
2.3三維尖銳裂紋的建模方法
2.3.1三維空間裂紋的尖端奇異性建模
2.3.2半無限大空間中的錐形裂紋建模
2.4裂紋尖端的有限應變分析
2.4.1有限應變分析
2.4.2鈍口裂紋的幾何模擬
2.5裂紋的對稱性
2.6裂紋三維掃掠網格的局限性
第3章圍道積分及其計算
3.1圍道積分的計算概述
3.1.1J積分的域表示方法
3.1.2無限大空間中的硬幣形裂紋
3.1.3緊湊型拉伸試樣模擬
3.2圍道積分計算中的節點法向
3.2.1尖銳彎曲的裂紋
3.2.2鈍裂紋和缺口
3.3多個裂紋尖端的J積分
3.4殼體中的穿透性裂紋
3.4.1軸向載荷下的周向貫穿裂紋
3.4.2內壓封閉式管道的周向貫穿裂紋
3.5混合模式斷裂
3.6材料不連續
3.7彈塑性材料的數值計算
第4章損傷與失效模擬
4.1漸進損傷和失效概述
4.2韌性金屬的損傷失效模擬
4.3韌性金屬的損傷起始準則
4.3.1延性損傷起始準則
4.3.2剪切損傷起始準則
4.3.3考慮損傷起始的鋁制圓管軸向壓縮
4.4損傷演化準則
4.4.1基于位移的損傷演化準則
4.4.2基于能量的損傷演化準則
4.4.3考慮損傷演化的鋁制圓管軸向壓縮
4.4.4鋁制圓管的扭轉撕裂模擬
4.5單元刪除法
4.5.1在完全退化之前移除失效的單元
4.5.2單元刪除相關的輸出變量
4.5.3金屬板的切削模擬
4.6纖維增強復合材料中的損傷
4.6.1纖維增強復合材料損傷模擬的關鍵步驟
4.6.2纖維增強復合材料損傷相關的輸出變量
4.6.3含有鈍缺口的纖維金屬層壓板的分析
第5章內聚力區模型
5.1內聚力區模型概述
5.1.1內聚力單元
5.1.2內聚力表面
5.2基于單元的內聚力區模型
5.2.1內聚力單元技術
5.2.2內聚力單元的本構模型
5.2.3內聚力單元的黏性正則化
5.2.4內聚力單元的建模技術
5.2.5對稱平面上的內聚力單元
5.2.6批量嵌入內聚力單元
5.2.7多重分層問題模擬
5.3基于表面的內聚力區模型
5.3.1內聚力表面模型的建立方法
5.3.2控制應用內聚力行為的節點
5.3.3使用內聚力表面模擬雙懸臂梁問題
5.4基于單元與表面的內聚力行為的比較
第6章虛擬裂紋閉合技術
6.1虛擬裂紋閉合技術概述
6.2基于線性彈性力學理論的虛擬裂紋閉合技術
6.3虛擬裂紋閉合技術模擬雙懸臂梁問題
6.4虛擬裂紋閉合技術模擬壓縮屈曲/分層問題
6.5使用虛擬裂紋閉合技術的注意事項
6.6虛擬裂紋閉合技術與內聚力行為的比較
第7章應力強度因子的計算方法
7.1有限寬中心直裂紋板及其閉合解
7.2應力外推法
7.3位移外推法
7.4等效積分區域法
7.5虛擬裂紋法
7.5.1全域虛擬裂紋擴展法
7.5.2局部虛擬裂紋擴展法
7.5.3虛擬裂紋閉合法
7.6相互作用積分法
7.7計算J積分和應力強度因子的插件
第8章擴展有限單元法
8.1擴展有限單元法的基本概念
8.1.1擴展有限元法的位移插值法
8.1.2虛擬節點法
8.1.3水平集方法
8.2擴展有限元法中損傷模型的建立
8.2.1損傷起始準則
8.2.2損傷演化準則
8.2.3損傷穩定化條件
8.3創建擴展有限元法裂紋擴展模型
8.3.1依賴于分析步的擴充激活
8.3.2和擴展有限元法相關的輸出量和后處理
8.4幾個典型的擴展有限元法分析實例
8.4.1帶孔方板中裂紋的萌生和擴展
8.4.2混合模式加載下裂紋的擴展
8.4.3多簇水力裂縫同步擴展的模擬
8.5擴展有限元法模擬斷裂的技巧
8.6擴展有限元法的局限性
第9章斷裂相場法
9.1斷裂相場法的基本概念
9.2熱彈塑性相場法模型
9.2.1熱彈塑性損傷模型
9.2.2自由能及其分解
9.2.3控制方程
9.2.4相場演化的速率依賴形式
9.3斷裂參數標定
9.3.1單元測試
9.3.2純剪切試驗模擬及參數標定
9.4典型實例
9.4.1絕熱剪切帶向裂紋的轉化
9.4.2自組織絕熱剪切帶的演化
參考文獻
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