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)用價值。隨著計算機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，其仿真模型的建立、關(guān)鍵參量的計算方法、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節(jié)�；�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)驗和積累，參考相關(guān)文獻，將相關(guān)工程分析實例和成果總結(jié)完善，盡可能全面和詳細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算方法，重點闡述了J積分這一關(guān)鍵斷裂參量的計算和輸出方法。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)力強度因子進行了詳細介紹，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