中尺度裂纹推进与过程区单元方法模拟钢中韧性裂纹轨迹的比较

《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》：Comparison of Mesoscale Crack Advance and Process Zone Element Approaches for Simulating Ductile Crack Trajectories in Steel

　　

连续损伤力学（CDM）模型与裂纹扩展方案相结合，可以预测裂纹尖端附近的裂纹分支或锯齿形轨迹，即使宏观裂纹扩展是直的。这是由于局部损伤场的振荡，并且与韧性撕裂的实验观察一致；然而，它使有限元模拟复杂化。本研究通过两种有限元模拟中的裂纹扩展策略来研究这种行为。第一种称为中尺度裂纹推进（MCA）方法，基于演化的局部损伤场显式跟踪裂纹轨迹的变化。第二种称为过程区单元（PZE）方法，在材料的特征长度上以平均方式表示损伤和裂纹推进。两种方法产生相似的结果。尽管其简化公式，PZE方法捕捉了韧性裂纹扩展的基本特征，并为模拟韧性裂纹扩展和脆性断裂提供了一种计算高效、实用的替代方案。

在钢结构工程中，韧性断裂通常经历三个阶段：微孔洞形核和汇聚导致的韧性裂纹萌生、裂纹扩展，以及最终韧性断裂或转变到脆性解理断裂。传统断裂力学方法（如K_IC、J_IC）在大范围屈服条件下精度下降，且无法处理无预裂纹的情况。为此，研究人员采用连续损伤力学（CDM）模型，通过标量损伤指标预测断裂。然而，将CDM与裂纹扩展模拟结合时，对称试件（如紧凑拉伸CT试件）中局部损伤场会出现振荡，导致裂纹倾向于沿锯齿形路径扩展，而非直线。这种锯齿形路径虽在实验中被观察到，但在有限元模拟中需要频繁更新网格，计算成本高昂。因此，本研究比较了两种裂纹扩展策略：中尺度裂纹推进（MCA）和过程区单元（PZE），以评估其准确性和实用性，旨在为工程应用提供更高效的模拟方法。论文发表在《Fatigue》上。

主要技术方法包括：1) 应力加权韧性断裂模型（SWDFM）——基于应力三轴度（T）和归一化洛德角参数（ξ）计算损伤指数D_SWDFM，当D_SWDFM≥D_crit且在特征长度l^*内满足时触发断裂；2) 自适应内聚区（ACZ）模型——在假定裂纹路径上插入零厚度内聚界面单元，其牵引-分离关系（TSR）由SWDFM自适应触发；3) MCA方法——根据局部损伤场确定裂纹方向，每次转向需重新网格化；PZE方法——使用固定网格，内聚单元沿宏观路径布置，上下相邻单元尺寸为l^*×l^*，形成总高度2l^*的“活性层”；4) 有限元软件WARP3D，采用八节点等参元，考虑等向（指数模型）和随动（Armstrong-Frederick）硬化；5) 威布尔应力（σ_w）计算——基于最大主应力σ₁在域Ω内积分，评估脆性断裂概率，采用m=4和12两种威布尔模量。样本来源：ASTM A913 Grade 450钢CT试件，宽度W=50.8mm，厚度B=25.4mm，侧槽净厚度B_net=20.3mm