模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型

发展一种能够模拟岩石材料脆性破裂过程的三维不规则、可变形块体离散元模型.一方面,在裂纹扩展过程中动态地将潜在破坏的连续块体沿潜在破坏方向细化为若干子块体,并在子块体之间的界面上设置连接型弹簧;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,实现材料由连续到非连续的破裂.借助动态松弛技术完成求解,通过计算实例验证该方法的适用性.     

单向轴压条件下内置椭圆三维裂纹扩展无网格方法的研究

根据三维裂纹前沿局部坐标系中主法平面内的周向应力计算公式,可以确定主法平面内的最大周向应力σθ,并由最大周向拉应力裂纹破裂准则确定裂隙岩体的破裂载荷和裂纹的破裂方向以及破裂步长。在三维无网格方法的节点的影响域中,选择合适的节点密度,以确保计算精度,并对单向轴压条件下内置三维裂纹扩展进行了数值模拟研究。根据数值计算结果,分析了破裂载荷、裂纹扩展角和扩展步长,揭示了内置三维裂纹的破裂过程,结合插值法清楚地展示了三维裂纹的破裂曲面形态。研究结果表明,针对三维裂纹破裂过程和破裂曲面形态无网格方法数值计算结果与FLAC-3D计算结果和试验结果吻合较好。     

准脆性材料中强不连续问题的数值方法若干应用及其研究进展

综述了模拟准脆性材料开裂过程的数值计算方法的研究进展和工程应用,比较了表征强不连续问题的显式非连续模型和隐式非连续模型的优缺点.结合混凝土粘结裂纹, 重点讨论了嵌入非连续模型,扩展有限元方法和富集有限元技术等非连续方法的构造特征和本质区别.从各种富集方法的理论完备性考察,以假定发展应变为基础的嵌入非连续方法虽然可以解决混凝土开裂过程中的应力锁死,满足内部边界的静力平衡条件以及反映开裂后的位移不连续问题,但嵌入非连续所采用的富集函数在开裂单元中并不能满足协调条件,使非连续两侧的应变不独立. 其局限性是由于富集自由度在单元的水平上引入,而以单位分解为基础的扩展有限元和富集有限元的富集函数以节点自由度的方式引入,除具有嵌入非连续的优点, 还可以有效消除嵌入非连续引起裂纹两侧应变的相互影响.文中同时指出了网格重构技术,弥散裂纹模型的局限性以及扩展有限元和富集有限元技术在构造方式上的细微差别.对于节点自由度方式引入的富集函数, 其操作困难性在文中也作了说明.      

冲击载荷作用下准脆性连续体破裂问题研究

在连续体动力问题中心差分算法的基础上,引进准脆性材料的破坏准则,节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等,对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟.通过数值算例,给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图,初步验证程序的正确性和可应用性,为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路.     

修正的拉应力裂纹扩展准则及裂隙\=水压对裂纹扩展的影响

对脆性材料的第一主应力--拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正,修正的裂纹扩展准则能确定裂纹扩展步长.以平面斜置裂纹扩展为例,利用无网格Galerkin方法,对不含裂隙水压的二维裂纹扩展进行数值模拟,计算结果与试验结果一致,表明最大周向拉应力准则的正确性.在不同裂隙水压条件下,研究了二维裂纹初始破裂,并在给定水压下对二维裂纹扩展路径进行了数值模拟跟踪.结果表明裂隙水压对裂纹初始破裂方向、破裂步长、破裂载荷和裂隙岩体破裂强度有显著影响.有水压和无水压的扩展迹线不同,但后续的扩展趋势相同.     

岩石圆盘径向压缩破坏的Voronoi子块体单元DDA方法模拟

非连续变形分析(DDA)方法是计算离散可变形块体系统力学行为的数值计算方法，可通过子块体单元DDA方法模拟岩石的开裂破坏。考虑到Voronoi多边形颗粒与细观尺度下岩石矿物晶粒形态的相似性，提出一种基于随机圆的Voronoi颗粒单元模型生成方法；并通过完整及带预制裂纹岩石圆盘径向压缩破坏的模拟，验证岩石破裂问题Voronoi子块体单元DDA模拟方法的适用性。结果表明，当子块体单元数较小时，圆盘表现出更高的整体强度；随着子块体单元数的增大，起裂处位置更接近真实，开裂破坏路径更清晰；子块体单元数较大时不同倾角预制裂纹圆盘破坏的模拟结果与实验结果高度吻合，并能有效反映圆盘中心加工小孔对开裂破坏路径的影响。使用Voronoi子块体单元DDA方法能够有效模拟岩石的开裂破坏过程，为进一步开展基于Voronoi颗粒单元模型的岩石开裂破坏模拟创造了条件。     

功能梯度材料斜裂纹动态扩展的近场动力学模拟

近场动力学是一种考虑非局部力相互作用的连续体理论.采用有限范围内的直接求和积分来代替经典弹性力学的应力/应变关系,这样就避免了传统的局部微分方程在求解不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性,而且在处理多物理场问题时具有同样的优势.本文采用近场动力学理论,模拟功能梯度材料在受动态拉伸荷载作用下的裂纹扩展问题,给出了功能梯度材料的斜裂纹扩展路径及破坏形态,同时讨论材料梯度形式对裂纹扩展行为的影响.结果发现裂纹总是沿着水平方向扩展,且材料的梯度形式对裂纹的扩展行为影响较小.     

三维斜置半圆形表面裂纹扩展数值模拟

以裂纹前沿局部坐标中主法平面内的最大周向拉应力作为控制参数,对第一主应力拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正.修正后的拉应力裂纹扩展准则称为最大周向拉应力裂纹扩展准则.它不仅可以有效地确定裂纹扩展方位、扩展方向和扩展条件,而且可以有效地确定裂纹扩展步长.根据修正的裂纹扩展准则,给出了三维裂纹曲面的数学描述方式,可以有效地模拟扩展曲面的弯折和扭曲.     

巴西圆盘试样中心斜裂纹疲劳扩展轨迹的边界元模拟

提出了一个平面弹性体多裂纹疲劳扩展模型. 它主要涉及到复合型加载情况下多裂纹尖端疲劳扩展的数学模型及杂交位移不连续法(一种边界元法). 在数值模拟中, 对每一裂纹扩展增量分析时,在其先前的边界上增添裂纹扩展增量, 且只对新增添的裂纹扩展增量划分单元, 同时, 按照这种边界元法的实施方法对一些单元特征进行调整, 就可以方便地模拟裂纹扩展. 用这种数值方法模拟了巴西圆盘试样中心斜裂纹疲劳扩展轨迹,数值结果说明了预报模型的有效性, 揭示了裂纹体几何对疲劳扩展的影响.      

基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法研究

为提高数值计算的精度, 断裂力学问题的数值模拟需要在裂纹扩展的局部区域采用较密的网格, 而远离裂纹扩展的区域可采用较疏的网格, 且对于裂纹扩展问题的数值模拟, 大多数数值方法又存在局部网格重剖分的问题. 论文提出了一种基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法用于模拟裂纹扩展问题, 该方法可根据结构域几何外边界的图像全自动进行四叉树网格剖分, 无需任何人工干预, 网格剖分效率极高, 由于比例边界有限元法本身的优势, 四叉树网格的悬挂节点可以直接地视为新的节点, 无需任何特殊处理. 通过引入虚节点的思想, 将裂纹与四叉树单元边界交叉点作为虚节点, 虚节点的自由度作为附加自由度处理, 并采用水平集函数表征材料内部的裂纹面, 含不连续裂纹面的子域可通过节点水平集函数识别, 使得裂纹扩展时无需进行网格重剖分, 界面的几何特征通过比例边界有限元子域的附加自由度表征. 最后, 通过若干算例验证了该方法的性能, 建议的改进型比例边界有限元法在求解复合型应力强度因子和模拟材料内部裂纹扩展路径时均具有较高的精度.      

模拟裂纹扩展的一种有限元局部动态子划分方法

提出了一种有限元子划分结合子结构的方法来模拟裂纹扩展问题。提出的方法中,将单元分为三类:被裂纹贯穿的单元,包含裂尖的单元和常规单元。对前两类单元进行子划分,每个单元的归类随裂纹的扩展而动态变化。覆盖一条裂纹的前两类单元子划分后构成一个子结构,子结构也是动态的,跟随裂纹的扩展而逐步扩大。本文的方法可以使裂纹沿任意路径扩展而不受初始网格的限制,裂纹扩展后无需对结构整体的网格重划分,结构整体分析的总自由度也不变。用该方法计算无限大平面中心裂纹的应力强度因子,模拟三点弯梁跨中裂纹的扩展,验证了计算精度,并进一步用该方法模拟了非均质材料中裂纹的扩展,考核了对复杂裂纹扩展问题的适用性。     

Two dimensional numerical simulation of crack kinking from an interface under dynamic loading by time domain boundary element method

The hybrid time-domain boundary element method, together with the multi-region technique, is applied to simulate the dynamic process of propagation and/or kinking of an interface crack in a two-dimensional bi-material. The whole bi-material is divided into two regions along the interface. The traditional displacement boundary integral equations are employed with respect to each region. However, when the crack kinks into the matrix material, the non-hypersingular traction boundary integral equations are used with respect to the part of the crack in the matrix. Crack propagation along the interface is numerically modelled by releasing the nodes in the front of the moving crack-tip controlled by the fracture criterion. Kinking of the interface crack is controlled by a criterion developed from the quasi-static one. Once the crack kinks into the matrix, its propagation is modeled by adding new elements of constant length to the moving crack-tip controlled by a criterion extended from the quasi-static maximum circumferential stress. The numerical results of the crack growth trajectory for different material combinations are computed and compared with the corresponding experimental results. Good agreement between numerical and experimental results implies that the present boundary element numerical method can provide an excellent simulation for the dynamic propagation and deflection of an interface crack.     

SBFEM与非局部宏微观损伤模型相结合的准脆性材料开裂模拟

混凝土是一种被广泛应用于土木和水利工程中的准脆性材料, 在各种内外部因素的作用下, 开裂是混凝土结构最为普遍的破坏形式, 准确模拟结构的开裂过程, 对于结构的安全评估至关重要. 将比例边界有限元与非局部宏微观损伤模型相结合提出一种准脆性材料开裂模拟新方法. 以比例边界有限元子域的比例中心作为物质点, 通过两比例中心(物质点对)之间的物质键的正伸长率来定义微细观损伤, 将某点影响域内物质键的微细观损伤加权平均得到该点的宏观拓扑损伤. 再引入能量退化函数, 将宏观拓扑损伤嵌入到比例边界有限元的基本框架中. 充分利用比例边界有限元网格允许存在悬挂节点的优势, 采用四叉树网格离散技术进行快速、高质量的多级网格划分与过渡. 通过一个I型开裂与一个混合型开裂的两个典型算例, 验证了该方法可捕获结构裂纹扩展路径与荷载变形曲线. 与现有的方法相比, 本文的损伤模型可得到更准确的局部开裂损伤带, 结果更为合理, 且具有更高的计算精度和计算效率. 当损伤过程区网格尺寸小于影响域半径的1/5时, 计算结果不存在网格敏感性问题.      

裂纹扩展独立于网格的一种有限元单元子划分方法

提出了一种有限元模拟裂纹扩展的单元子划分结合子结构的方法。本方法中,裂纹可以进入或穿过一个单元,或沿单元的边界扩展,因此裂纹可以沿任意路径扩展而不受初始网格的限制。对上述几类包含裂纹的单元按照裂纹的路径进行子划分,覆盖一条裂纹的所有子划分单元就组成了一个子结构,子结构规模随裂纹的扩展而增大。子结构中因单元子划分而新增的结点自由度,通过自由度的凝聚用初始网格结点的自由度表示,因此结构整体分析的总自由度不变。以上述方法为基础建立了裂纹萌生和扩展的准则。用本文的方法分析了单（双）材料无限大平面中心（界面）裂纹的裂尖场,验证了本文方法的精度,并模拟了颗粒复合材料中微裂纹在颗粒、基体和界面中逐步扩展的过程,考核了本文方法对复杂裂纹扩展问题模拟的适用性。     

CRACK FACE CONTACT PROBLEM ANALYSIS USING THE SCALED BOUNDARY FINITE ELEMENT METHOD

比例边界有限元侧面上有任意荷载时,将侧面载荷分解成关于径向方向局部坐标的多项式函数的和,推导给出了考虑侧面载荷存在的新型形函数,并基于该形函数推导了刚度矩阵和等效节点载荷列阵.首次对比例边界有限元法求解裂纹面接触问题进行了研究,运用Lagrange乘子引入接触界面约束条件,推导给出了比例边界有限元求解裂纹面接触问题的控制方程.将裂纹面单元分为非裂尖单元和含有侧面的裂尖单元.在非裂尖单元中的裂纹面,裂纹面作为多边形单元的边界,边界上的接触力可等效到节点上,通过在节点上构造Lagrange乘子,采用点对点接触约束进行处理.对于含有侧面的裂尖单元,在整个侧面上构造Lagrange乘子的插值场,采用边对边接触约束进行处理.对三个不同的接触约束状态下的算例进行了数值计算,通过与解析解及有限元软件ABAQUS计算结果的对比,验证了本文提出的比例边界有限元点对点和边对边接触求解裂纹面接触问题的精确性与有效性.     

PZT-4紧凑拉伸试样的断裂分析

基于线性压电材料的复势理论,通过解析分析,导出了一种分析有限压电板裂纹问题的解析数值方法. 首先,计算了含中心裂纹有限板的断裂参数,与Woo和Wang的解析数值法(Int J Fract, 1993, 62: 203$\sim$218)相比较,表明该方法具有很高的精度和很好的计算效率. 随后,采用该方法和有限元法计算了PZT-4紧凑拉伸试样在绝缘裂纹面边界条件下断裂时的断裂参数,发现各断裂参数的临界值分散性很大,不能作为压电材料的单参数断裂准则. 进而,针对试样真实的裂隙形状,采用有限元法计算了裂隙尖端的应力、电位移场,比较了裂隙内介质的介电性能对裂隙尖端场的影响,计算了带微裂纹的真实裂隙模型的断裂参数并进行了理论分析.      

FATIGUE GROWTH MODELING OF MIXED-MODE CRACK IN PLANE ELASTIC MEDIA

This paper presents an extension of a displacement discontinuity method with cracktip elements （a boundary element method） proposed by the author for fatigue crack growth analysis in plane elastic media under mixed-mode conditions. The boundary element method consists of the non-singular displacement discontinuity elements presented by Crouch and Starfield and the crack-tip displacement discontinuity elements due to the author. In the boundary element implementation the left or right crack-tip element is placed locally at the corresponding left or right crack tip on top of the non-singular displacement discontinuity elements that cover the entire crack surface and the other boundaries. Crack growth is simulated with an incremental crack extension analysis based on the maximum circumferential stress criterion. In the numerical simulation, for each increment of crack extension, remeshing of existing boundaries is not required because of an intrinsic feature of the numerical approach. Crack growth is modeled by adding new boundary elements on the incremental crack extension to the previous crack boundaries. At the same time, the element characteristics of some related elements are adjusted according to the manner in which the boundary element method is implemented. As an example, the fatigue growth process of cracks emanating from a circular hole in a plane elastic plate is simulated using the numerical simulation approach.     

断裂过程的有限元模拟

讨论了材料断裂过程的有限元模拟技术。基于自适应有限元的一般原理，并针对多相材料的裂纹扩展的特点，提出了一种简化的高精度和高效率有限元网格的动态重新划分策略。裂纹被假设沿着单元之间的路径连续扩展，利用节点力释放技术生成新的裂纹自由表面，发展了一种可随裂尖连续移动的网格动态加密和释放方法。这种方法已在各种裂纹问题中得以实现与应用。