本书详细介绍了材料和结构断裂与损伤模拟的基本理论、数值算法、典型模型和分析,涉及裂纹显式建模、裂纹尖端奇异性模拟、围道积分计算、渐进损伤和失效模拟、内聚力区模型、虚拟裂纹闭合技术、扩展有限单元法和相场法等; 包含丰富的断裂和损伤仿真算例,方便读者快速掌握相关的模拟方法,为科研人员提供了掌握复杂的断裂损伤模拟技术的实用资料。本书可作为从事断裂与损伤研究的科研工作者的参考书籍,也可作为高校有限元相关课程的辅助教材。
本书内容深入浅出，易于学习，书中提供了大量的断裂和损伤仿真的基础理论知识、分析实例和模型文件，并配以二维码资源（彩图 相关程序文件），可供读者快速掌握建模方法。
断裂和损伤失效是导致工程构件发生灾难性事故的先兆，特别是重大军事工程构件、重要基础设施安全防护结构和精密仪器设备的关键核心部件等。研究材料和结构在准静态和动态载荷作用下的断裂和损伤失效过程对于认识材料的失效行为和预防灾难性事故的发生具有重要的科学研究意义和工程应用价值。随着计算机硬件水平的快速提高和有限元技术的快速发展，数值模拟成为研究断裂和损伤问题的重要手段，并被广泛采用，对解决实际工程中的各种问题起到了至关重要的作用。
然而，断裂和损伤问题的数值模拟由于涉及复杂的断裂和损伤力学知识和特殊的有限元格式，一直是各种工程问题的难点，其仿真模型的建立、关键参量的计算方法、复杂断裂形态的再现和高效数值技术的运用，均需要工程技术人员在掌握一定断裂和损伤力学基础的同时，熟悉有限元格式和建模细节。基于此，作者结合近年来在断裂与损伤数值模拟方面的经验和积累，参考相关文献，将相关工程分析实例和成果总结完善，尽可能全面和详细地向读者介绍断裂与损伤问题模拟仿真的基本流程、数值方法、有限元格式和实例分析等。
本书以有限元软件ABAQUS为数值仿真平台和工具，重点介绍了断裂与损伤的数值模拟方法，并基于该软件给出了丰富的数值案例和建模技巧，以及一些模型的建模文件和源代码等，可以满足相关人员对于复杂断裂和损伤问题的个性化仿真需求，以期助力解决复杂的科学问题和工程技术难题，这也是本书编写的初衷。
本书共有9章，第1章介绍了断裂力学的基本概念，包括断裂模式、线性弹性断裂力学、非线性断裂力学和界面断裂力学的基本知识，为后续断裂与损伤的数值模拟奠定基础。第2章介绍了裂纹显式建模和模拟技术，包括二维和三维空间中的裂纹显式建模和模拟，以及轴对称条件下的裂纹建模和模拟。第3章介绍了围道积分及其计算方法，重点阐述了J积分这一关键断裂参量的计算和输出方法。第4章介绍了基于损伤力学的材料失效模拟方法，特别是针对金属材料和纤维增强复合材料的失效问题。第5章介绍了界面失效模拟的常用方法内聚力区方法及其有限元模型，包括基于单元的内聚力区模型和基于表面的内聚力区模型。第6章介绍了虚拟裂纹闭合技术和准则，并基于该技术模拟了双悬臂梁问题，并与第5章的内聚力区模型进行了比较。第7章针对断裂力学中的一个重要概念应力强度因子进行了详细介绍，包括应力外推法、位移外推法、虚拟裂纹闭合法和相互作用积分法等计算方法。第8章和第9章分别介绍了两种结构断裂和损伤模拟领域的新兴数值方法扩展有限单元法和断裂相场法，以及这两种方法基本的有限元格式和相应的数值算例。
本书内容涵盖了断裂与损伤建模、仿真的许多方面，既有断裂力学的基本理论和概念，又有各种断裂与损伤问题的建模方法和技巧； 既有准静态断裂过程分析，又有爆炸和冲击载荷下的瞬态绝热剪切失效分析； 既有成熟的内聚力区裂纹模型和围道积分模型，又有扩展有限元法和断裂相场法等最新的断裂模拟数值方法，内容非常丰富。读者朋友可以针对自己的学习和科研需求选择部分或全部内容学习。在阅读的过程中，可以配合本书的分析案例和章首二维码中的资源，边操作边学习，快速掌握相关知识和技巧。此外，针对实际工程中的一些典型失效问题，特别是大型结构在复杂载荷下的断裂失效，本书也进行了一定的研究和案例分析，为读者理解相关问题提供了很好的视角和见解。
本书主要介绍材料和结构的断裂与损伤模拟的基本理论、数值方法和典型案例，对使用者的数学、力学和有限元基础有一定的要求，因此本书适用于从事材料和结构断裂与损伤研究的科研工作者，如高年级本科生、研究生、高校教师或科研院所的研究人员。书中含有很多有限元相关的基础知识，以及有限元建模和仿真技巧，也可作为高校有限元相关课程的辅助教材。此外，书中涉及的一些典型工程问题的研究，可以为相关领域的工程研究人员提供特定研究视角，可作为工程研究人员的参考。
在本书的成书过程中，得到了大量的学者、专家、朋友、同行的热心帮助，包括但不限于： 庄茁教授、柳占立教授、刘小明研究员、高岳博士、胡剑桥博士、曾庆磊博士、张璇博士、韩昊悦、王一帆，在此表示感谢。
在本书编写的过程中，作者参考了一些断裂力学和模拟仿真相关的书籍和文档，这些资料使我们受益匪浅，感谢相关作者和开发者的辛勤劳动。
作者已尽最大努力将材料与结构损伤和断裂仿真模拟的相关知识和方法尽可能全面、易懂地介绍给读者，但是仍无法避免书中的错误和遗漏之处，敬请广大读者和专家学者批评指正。
作者
2024年1月于北京
王涛，北京理工大学副研究员/博士生导师，北京市科协青年托举人才，主要研究方向为计算固体力学、爆炸冲击毁伤与防护。任武警某专家组专家、中国兵工学会防爆安检专委会委员。
黄广炎，北京理工大学教授/博士生导师，机电学院副院长，爆炸科学与技术国家重点实验室副主任，英国剑桥大学访问学者，兼职武警部队某专家组组长、中国兵工学会防爆安检专委会副主任委员、公安部警务保障专家、军委防空反导国防科技专业组专家等学术职务。研究方向为爆炸高效毁伤与安全防护，获公安部科学技术一等奖（第1名）等，入选国家万人计划青年拔尖人才和中国力学学会爆炸力学优秀青年学者，获评首都精神文明建设奖和入选北京青年榜样等。
叶璇，清华大学助理研究员，中国科协青年托举人才，入选中核集团青年英才计划启明星项目。主要研究方向为核反应堆工程。担任《Science China， Physics Mechanics & Astronomy》等期刊青年编委和《Sensors》等期刊审稿人。
熊威，清华大学副研究员，主要研究方向为核反应堆工程。目前已发表学术论文30余篇，主持国家自然科学基金等重要项目10余项。
第1章断裂力学的基本概念
1.1断裂力学概述
1.2材料的断裂机制
1.3线性弹性断裂力学
1.3.1断裂模式
1.3.2应力强度因子
1.3.3裂纹尖端的渐进解
1.3.4裂纹尖端的奇异性
1.3.5双参数断裂力学
1.3.6关于断裂韧性的一些讨论
1.3.7裂纹扩展的稳定性
1.3.8小范围屈服
1.3.9断裂力学中的能量考虑
1.4非线性断裂力学
1.4.1J积分
1.4.2裂纹尖端张开位移
1.4.3关于HRR场的一些讨论
1.4.4裂纹尖端的J主导性
1.4.5过渡缺陷尺寸
1.5混合模式断裂
1.6界面断裂力学
第2章裂纹显式建模和模拟
2.1裂纹建模技术概述
2.1.1裂纹显式建模的两种方式
2.1.2裂纹尖端附近的网格要求
2.1.3小应变分析中裂纹尖端的奇异性
2.2二维空间中的尖锐裂纹的建模方法
2.2.1二维板中的倾斜裂纹建模
2.2.2二阶四边形单元模拟裂纹尖端奇异性
2.2.3裂纹尖端网格的周向分辨率
2.2.4一阶四边形单元模拟裂纹尖端奇异性
2.3三维尖锐裂纹的建模方法
2.3.1三维空间裂纹的尖端奇异性建模
2.3.2半无限大空间中的锥形裂纹建模
2.4裂纹尖端的有限应变分析
2.4.1有限应变分析
2.4.2钝口裂纹的几何模拟
2.5裂纹的对称性
2.6裂纹三维扫掠网格的局限性
第3章围道积分及其计算
3.1围道积分的计算概述
3.1.1J积分的域表示方法
3.1.2无限大空间中的硬币形裂纹
3.1.3紧凑型拉伸试样模拟
3.2围道积分计算中的节点法向
3.2.1尖锐弯曲的裂纹
3.2.2钝裂纹和缺口
3.3多个裂纹尖端的J积分
3.4壳体中的穿透性裂纹
3.4.1轴向载荷下的周向贯穿裂纹
3.4.2内压封闭式管道的周向贯穿裂纹
3.5混合模式断裂
3.6材料不连续
3.7弹塑性材料的数值计算
第4章损伤与失效模拟
4.1渐进损伤和失效概述
4.2韧性金属的损伤失效模拟
4.3韧性金属的损伤起始准则
4.3.1延性损伤起始准则
4.3.2剪切损伤起始准则
4.3.3考虑损伤起始的铝制圆管轴向压缩
4.4损伤演化准则
4.4.1基于位移的损伤演化准则
4.4.2基于能量的损伤演化准则
4.4.3考虑损伤演化的铝制圆管轴向压缩
4.4.4铝制圆管的扭转撕裂模拟
4.5单元删除法
4.5.1在完全退化之前移除失效的单元
4.5.2单元删除相关的输出变量
4.5.3金属板的切削模拟
4.6纤维增强复合材料中的损伤
4.6.1纤维增强复合材料损伤模拟的关键步骤
4.6.2纤维增强复合材料损伤相关的输出变量
4.6.3含有钝缺口的纤维金属层压板的分析
第5章内聚力区模型
5.1内聚力区模型概述
5.1.1内聚力单元
5.1.2内聚力表面
5.2基于单元的内聚力区模型
5.2.1内聚力单元技术
5.2.2内聚力单元的本构模型
5.2.3内聚力单元的黏性正则化
5.2.4内聚力单元的建模技术
5.2.5对称平面上的内聚力单元
5.2.6批量嵌入内聚力单元
5.2.7多重分层问题模拟
5.3基于表面的内聚力区模型
5.3.1内聚力表面模型的建立方法
5.3.2控制应用内聚力行为的节点
5.3.3使用内聚力表面模拟双悬臂梁问题
5.4基于单元与表面的内聚力行为的比较
第6章虚拟裂纹闭合技术
6.1虚拟裂纹闭合技术概述
6.2基于线性弹性力学理论的虚拟裂纹闭合技术
6.3虚拟裂纹闭合技术模拟双悬臂梁问题
6.4虚拟裂纹闭合技术模拟压缩屈曲/分层问题
6.5使用虚拟裂纹闭合技术的注意事项
6.6虚拟裂纹闭合技术与内聚力行为的比较
第7章应力强度因子的计算方法
7.1有限宽中心直裂纹板及其闭合解
7.2应力外推法
7.3位移外推法
7.4等效积分区域法
7.5虚拟裂纹法
7.5.1全域虚拟裂纹扩展法
7.5.2局部虚拟裂纹扩展法
7.5.3虚拟裂纹闭合法
7.6相互作用积分法
7.7计算J积分和应力强度因子的插件
第8章扩展有限单元法
8.1扩展有限单元法的基本概念
8.1.1扩展有限元法的位移插值法
8.1.2虚拟节点法
8.1.3水平集方法
8.2扩展有限元法中损伤模型的建立
8.2.1损伤起始准则
8.2.2损伤演化准则
8.2.3损伤稳定化条件
8.3创建扩展有限元法裂纹扩展模型
8.3.1依赖于分析步的扩充激活
8.3.2和扩展有限元法相关的输出量和后处理
8.4几个典型的扩展有限元法分析实例
8.4.1带孔方板中裂纹的萌生和扩展
8.4.2混合模式加载下裂纹的扩展
8.4.3多簇水力裂缝同步扩展的模拟
8.5扩展有限元法模拟断裂的技巧
8.6扩展有限元法的局限性
第9章断裂相场法
9.1断裂相场法的基本概念
9.2热弹塑性相场法模型
9.2.1热弹塑性损伤模型
9.2.2自由能及其分解
9.2.3控制方程
9.2.4相场演化的速率依赖形式
9.3断裂参数标定
9.3.1单元测试
9.3.2纯剪切试验模拟及参数标定
9.4典型实例
9.4.1绝热剪切带向裂纹的转化
9.4.2自组织绝热剪切带的演化
参考文献
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