目前的工程结构正日益呈现大尺寸化、功能特殊化、作业环境复杂化的特点,在工程应用领域,如汽车、铁路运输、航空航天、船舶、能源等,结构构件或结构设备的疲劳破坏失效十分常见。近年来各工程领域因结构疲劳失效发生安全事故的频率相当高,对社会经济及安全造成了重大的损害。例如机车车辆、航空飞行器、海洋平台、大型舰船和油气管道等重大工程结构设备均有发生过因结构金属断裂引起的安全事故,因此研究和掌握结构疲劳破坏机理对于保障工程设备安全可靠运行十分重要。结构疲劳破坏包含多个阶段,传统疲劳分析的关注点集中在对疲劳裂纹萌生寿命的分析上,而实际出现安全事故的结构多是由于初始裂纹的存在且在外载荷的作用下进一步地扩展,导致了结构的迅速破坏,对于已含初始裂纹的结构,传统疲劳分析显然无法解决,需要借助断裂力学的相关知识进行研究。现有的研究已表明,断裂尤其是疲劳裂纹的扩展是引起构件和机械零件失效的主要原因,而且可能造成重大事故。因此对结构进行裂纹扩展的研究具有显著的社会意义和经济意义。由于对含裂纹结构体这类位移不连续演化问题的有效求解比较复杂,本文基于高效的数值模拟方法即扩展有限元法(eXtended Finite Element Method, XFEM)结合水平集法(Level Set Method, LSM)跟踪裂纹扩展的动态演化过程,精确描述裂纹的扩展路径。从验证ABAQUS数值分析平台对于求解应力强度因子的精度入手,研究了在冲击载荷下的三点弯曲试样矩形平板的准静态裂纹扩展特性,针对各向同性均质材料模型的裂纹扩展,分析了裂纹初始长度对于裂纹尖端的J积分及应力强度因子KⅠ、KⅡ的影响,同时对于双材料亚界面的裂纹扩展分析了材料模型在力载荷及热载荷的共同作用下的裂纹扩展情况,将裂纹扩展的路径与已有实验做对比验证,将基于XFEM方法和常规有限元法求解得到的应力强度因子作比较,并对该工况下应力强度因子的变化作了分析,结果表明了应用XFEM方法与LSM的有效性与准确性。进一步地,本文基于Python语言建立裂纹扩展分析的实体模型,利用FORTRAN语言编写与模型材料相关的场变量用户子程序USDFLD,建立了双铺层复合材料的各向异性材料模型,通过ABAQUS用户子程序接口进行调用,分析了直升机桨叶连接耳片的结构损伤及裂纹扩展特性,得到的相关结论可为后续的研究提供依据。