斷裂和損傷失效是導(dǎo)致工程構(gòu)件發(fā)生災(zāi)難性事故的先兆，特別是重大軍事工程構(gòu)件、重要基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)結(jié)構(gòu)和精密儀器設(shè)備的關(guān)鍵核心部件等。研究材料和結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下的斷裂和損傷失效過程對于認(rèn)識材料的失效行為和預(yù)防災(zāi)難性事故的發(fā)生具有重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的快速提高和有限元技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)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(shí)際工程中的各種問題起到了至關(guān)重要的作用。

然而，斷裂和損傷問題的數(shù)值模擬由于涉及復(fù)雜的斷裂和損傷力學(xué)知識和特殊的有限元格式，一直是各種工程問題的難點(diǎn)，其仿真模型的建立、關(guān)鍵參量的計(jì)算方法、復(fù)雜斷裂形態(tài)的再現(xiàn)和高效數(shù)值技術(shù)的運(yùn)用，均需要工程技術(shù)人員在掌握一定斷裂和損傷力學(xué)基礎(chǔ)的同時，熟悉有限元格式和建模細(xì)節(jié)。基于此，作者結(jié)合近年來在斷裂與損傷數(shù)值模擬方面的經(jīng)驗(yàn)和積累，參考相關(guān)文獻(xiàn)，將相關(guān)工程分析實(shí)例和成果總結(jié)完善，盡可能全面和詳細(xì)地向讀者介紹斷裂與損傷問題模擬仿真的基本流程、數(shù)值方法、有限元格式和實(shí)例分析等。

本書以有限元軟件ABAQUS為數(shù)值仿真平臺和工具，重點(diǎn)介紹了斷裂與損傷的數(shù)值模擬方法，并基于該軟件給出了豐富的數(shù)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(guān)人員對于復(fù)雜斷裂和損傷問題的個性化仿真需求，以期助力解決復(fù)雜的科學(xué)問題和工程技術(shù)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(xué)的基本概念，包括斷裂模式、線性彈性斷裂力學(xué)、非線性斷裂力學(xué)和界面斷裂力學(xué)的基本知識，為后續(xù)斷裂與損傷的數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。第2章介紹了裂紋顯式建模和模擬技術(shù)，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(jì)算方法，重點(diǎn)闡述了J積分這一關(guān)鍵斷裂參量的計(jì)算和輸出方法。第4章介紹了基于損傷力學(xué)的材料失效模擬方法，特別是針對金屬材料和纖維增強(qiáng)復(fù)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(nèi)聚力區(qū)方法及其有限元模型，包括基于單元的內(nèi)聚力區(qū)模型和基于表面的內(nèi)聚力區(qū)模型。第6章介紹了虛擬裂紋閉合技術(shù)和準(zhǔn)則，并基于該技術(shù)模擬了雙懸臂梁問題，并與第5章的內(nèi)聚力區(qū)模型進(jìn)行了比較。第7章針對斷裂力學(xué)中的一個重要概念應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括應(yīng)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(jì)算方法。第8章和第9章分別介紹了兩種結(jié)構(gòu)斷裂和損傷模擬領(lǐng)域的新興數(shù)值方法擴(kuò)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(yīng)的數(shù)值算例。

本書內(nèi)容涵蓋了斷裂與損傷建模、仿真的許多方面，既有斷裂力學(xué)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(zhǔn)靜態(tài)斷裂過程分析，又有爆炸和沖擊載荷下的瞬態(tài)絕熱剪切失效分析； 既有成熟的內(nèi)聚力區(qū)裂紋模型和圍道積分模型，又有擴(kuò)展有限元法和斷裂相場法等最新的斷裂模擬數(shù)值方法，內(nèi)容非常豐富。讀者朋友可以針對自己的學(xué)習(xí)和科研需求選擇部分或全部內(nèi)容學(xué)習(xí)。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(xué)習(xí)，快速掌握相關(guān)知識和技巧。此外，針對實(shí)際工程中的一些典型失效問題，特別是大型結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷下的斷裂失效，本書也進(jìn)行了一定的研究和案例分析，為讀者理解相關(guān)問題提供了很好的視角和見解。

本書主要介紹材料和結(jié)構(gòu)的斷裂與損傷模擬的基本理論、數(shù)值方法和典型案例，對使用者的數(shù)學(xué)、力學(xué)和有限元基礎(chǔ)有一定的要求，因此本書適用于從事材料和結(jié)構(gòu)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(guān)的基礎(chǔ)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(guān)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(guān)領(lǐng)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(xué)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(xué)和模擬仿真相關(guān)的書籍和文檔，這些資料使我們受益匪淺，感謝相關(guān)作者和開發(fā)者的辛勤勞動。

作者已盡最大努力將材料與結(jié)構(gòu)損傷和斷裂仿真模擬的相關(guān)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(xué)者批評指正。

作者
2024年1月于北京