基于Python 语言的裂纹扩展模拟

王晨

【摘 要】本文用python语言在有限元仿真软件Abaqus的运行环境下对CT试件进行裂纹扩展模拟，扩展有限元作为一种新型的断裂数值模拟技术，能很好的模拟裂纹扩展路径，显示出其强大的功能。用python语言条理清晰，利于模型的保存和修改，并且可以很好地对Abaqus进行二次开发。

【关键词】裂纹扩展，Python，扩展有限元。

【中图分类号】TJ06 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0052-01

对于裂纹的扩展研究，主要从微观到宏观角度的出发，固体材料从变形到破坏，跨越了原子结构到宏观的9至11个尺度量级。裂纹尖端很小的区域内的应力、应变都是影响裂纹扩展的主要因素。因此从研究范围来看，跨尺度的宏细观研究相结合，正成为断裂力学研究方向。裂纹尖端区域内的微观上结构组织发生的变化和影响是当前断裂力学的研究前沿课题。从细观和宏观尺度上，研究各种材料的断裂、损伤、蠕变和腐蚀疲劳等方面的最新理论、实验研究方法及其工程应用。

1 python与ABAQUS运算方法

1.1 python汇编语言简介

Python语言是一种动态解释型编程语言，1989年由Guido van Rossum开发，并于1991年年初发表。Python语言功能强大、简单易学，支持面向对象编程（object-oriented programming），已逐渐受到越来越多的用于的关注。

Python语言主要有如下重要特征：

（1） 面向对象性（2）简单性（3）健壮性（4）可扩展性（5）动态性（6）内置的数据结构（7）跨平台性（8）强类型

1.2 python与ABAQUS运算方法

Abaqus脚本接口可以实现Abaqus/CAE中的所有功能，并在Python语言的基础上又扩展了一些新的对象类型。这些对象间的层次和关系组成了Abaqus 的对象模型。

Abaqus脚本接口对Python 语言进行了扩展，额外提供了大约500个对象模型，这些对象模型之间的关系比较复杂，大致将这写对象分为3 类：Session、Mdb 和Odb。如图1 所示

（3）

右端第一项可用于模型中所有节点；右端第二项只对形函数被裂纹内部切开的单元节点有效；右端第三项只对形函数被裂纹尖端切开的单元节点有效。

3.算例

3.1 模型建立及运算

以CT试件裂纹扩展为例，用python编程做裂纹扩展。主要分为以下几个步骤

（1）from part import * #第一步，建立建模

（2）from material import * #第二步，材料定义

编译完CT试件模型后对其进行材料的定义，使用缩减积分单元，材料为高强钢，其屈服强度为714MPa，抗拉强度844MPa。在程序中定义极限强度准则如下：

mdb.models['Model-1'].materials['Q690']. Maxps Damage Initiation（table=（（844，），））

并定义其损伤和断裂准则，它是根据指数形式来定义的。

（3）from assembly import * #第三步，装配

（4）from mesh import * #第四步，网格划分控制

为了能画出整齐的网格，在画网格之前，先把试件分隔成块，并对其进行单独网格设置，网格的边缘不能与之前画的裂纹重合。

（5）from interaction import * #第五步，定义相互接触

该步骤主要用于定义裂纹和板件接触的定义，并定义试件孔与孔圆心耦合，以便于施加载荷。

（6）from step import * #第六步，定义分析步

步骤中定义静力加载，并定义输出，主要输出内容如下：

mdb.models['Model-1'].fieldOutputRequests['F-Output-1'].setValues（va riables=（ 'S'，'LE'，'U'，'RF'，'PHILSM'，'STATUSXFEM'））。

（7）from load import * #第七步，载荷边界定义

运算选用位移载荷，在上孔加载，下孔约束。

（8）计算任务生成并提交计算。

3.2. 运算结果与分析

提交完由Abaqus进行运算，其某一时刻的裂纹扩展云图如图2所示，图中可以看出网格整齐，基本为正方形网格，单元在内部开裂，裂纹沿着最大主应力方向扩展，其应变能随时间变化的曲线如图3所示。

图2 裂纹扩展云图 图3 应变能随时间变化曲线

参考文献：.

[1] 刘长虹，李洪升，彭军. 基于XFEM的裂纹扩展分析[J]. 上海工程科学技术大学学报，2010，24（3） ： 218-220.

[2] 曹金凤. Python语言在Abaqus中的应用[M]. 北京：机械工业出版社，2011.8： 13-173

[3] 庄茁. 扩展有限单元法[M]. 北京：电子工业出版社，2011.8： 18-85