复杂结构断裂力学分析软件ALOF

ALOF软件以目前最先进的裂纹扩展算法XFEM为基础，利用具有自主知识产权的虚节点法（Virtual Node Method，VNM），变革了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，实现了设备模型与裂纹模型的单独建模，复杂结构中裂纹的高效率、高精度动态扩展仿真。

ALOF软件建立的I型裂纹和II型裂纹模型

软件可以方便地为复杂的裂纹计算问题建立分析模型，用户按照常规有限元分析过程录入设备结构信息、材料性能、工况等数据建立分析模型并另外导入裂纹模型即可组成一个含裂纹模型。同时，软件还开发了各种主流有限元软件的数据接口，可以导入其他主流有限元软件生成的模型文件和结果等。

软件计算得到的含裂纹模型的第一主应力分布图

软件优势技术

扩展有限单元法（XFEM）

XFEM是先进断裂扩展计算技术，XFEM技术实现了裂纹网格独立于几何模型网格，它带来了两个方面的技术进步：1.裂纹网格与几何模型网格分别建模；2.裂纹扩展走向不再依赖于几何模型网格。这两点技术进步在裂纹扩展模拟中具有革命性意义。

由于几何模型与裂纹模型的尺寸差异较大，同时裂纹具有尖锐的形状，传统断裂分析中含裂纹模型建模难度非常大，网格划分复杂，而ALOF中裂纹网格与几何模型网格可以分别建模再进行组合，建模的灵活性和便捷性得到了大幅提高。几何模型网格既可以是六面体单元也可以是四面体单元。

几何模型网格                                        裂纹网格                                 合并为含裂纹模型

裂纹模型和几何模型单独建模与组合

裂纹切割原理对比

如上图所示：左侧传统有限元单元法在仿真疲劳裂纹扩展时必须沿单元边界进行“断裂”，因此在处理动态裂纹扩展分析中需要频繁的重新剖分网格，大规模工程问题的计算效率和精度难以得到保证；而右侧的XFEM则可以从在任意位置断开，无需对网格进行重剖分，即可自动实现裂纹的动态扩展分析。

多边形插值有限元（VNM）技术

裂纹尖端有奇异的应力场，需要划分足够细密网格才能达到足够的分析精度。采用传统的全局加密方式或者划分裂纹扩展区域的局部加密，都不足以有效减小模型规模。下图展示了基于虚节点的新型多边形插值有限元VNM技术，在裂纹扩展过程中实现了裂纹尖端区域网格的自动局部加密，也就是裂纹尖端扩展到哪里，尖端附近的一个微小区域就自动加密。

裂纹尖端分层高精度加密算法

这种新型有限单元技术具有完全的自主知识产权，它实现了裂纹尖端区域网格的自动分层加密，从而大幅提高了XFEM求解裂纹尖端应力场的精度，同时由于无需重新剖分和全域加密网格，整体计算效率也获得了极大提升。进一步，ALOF的求解器专门针对断裂分析开发，具有极高的求解效率。

3．软件主要分析功能及分析结果

主要分析功能

计算裂纹体的应力强度因子、J积分等

对不同的裂纹尺寸进行参数化研究

确定一定疲劳荷载下的临界裂纹尺寸

确定一定疲劳寿命下的临界裂纹尺寸

损伤容限评估

裂纹在当前受力状态下的扩展情况

输出的主要分析结果

（1）位移、应变、应力、屈服区等常规有限元分析结果；

（2）裂纹尖端的应力强度因子K_I，K_II，K_III，等效应力强度因子K_eqv、裂纹扩展角、J积分、能量释放率G、裂纹张开位移COD等；

（3）裂纹面两侧的不连续位移场，裂纹扩展量，裂纹扩展角，裂纹扩展过程中的交变应力循环次数。

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