非连续问题中单元分割的模板方法

扩展有限元法 (extended finite element method, XFEM) 因具有裂纹几何独立于模拟网格、裂纹扩展时无需网格重分重映、计算精度高等优点,成为裂纹分析的主流数值方法之一. 但该方法在工程实践中存在单元被裂纹分割的几何困难 —— 现有精确几何分割方法实现复杂、计算量大、鲁棒性差. 为克服这一困难, 本文提出一种基于单元水平集的模板分割方法, 用于非连续单元子剖分和数值积分. 首先, 遍历单元水平集值所有形态并建立标准单元分割模板库; 然后, 根据单元水平集值, 对非标准单元进行形态查询和模板插值; 最后, 套用标准单元分割模板实现单元高效分割和子剖分. 将该方法与常规XFEM、改进型XFEM进行结合,从而应用于孔洞、夹杂、裂纹等非连续问题分析中. 算例分析表明, 本文提出的模板分割方法具有较高计算精度. 由于不引入复杂几何操作, 该模板分割方法同时具有较高计算效率和鲁棒性, 故可为XFEM类方法在实际工程应用中提供有效支撑.      

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。     

动载下裂纹应力强度因子计算的改进型扩展有限元法

相较于常规扩展有限元法(extended finite element method, XFEM), 改进型扩展有限元法(improved XFEM) 解决了现有方法线性相关与总体刚度矩阵高度病态问题, 在数量级上提升了总体方程的求解效率, 克服了现有方法在动力学问题中的能量正确传递、动态应力强度因子数值震荡、精度低下问题. 本文基于改进型XFEM, 采用Newmark 隐式时间积分算法, 重点研究了动载荷作用下扩展裂纹尖端应力强度因子的求解方法, 与静力学方法相比, 增加了裂纹扩展速度项与惯性项的贡献. 通过数值算例研究了网格单元尺寸、质量矩阵、时间步长、裂尖加强区域、惯性项、扩展速度项及相互作用积分区域J-domain的网格与单元尺寸对动态应力强度因子求解精度的影响, 验证了改进型XFEM计算动态裂纹应力强度因子方法的有效性. 针对文献中具有挑战性的 "I 型半无限长裂纹先稳定后扩展"问题, 改进型XFEM给出目前为止精度最好的动态应力强度因子数值解.      

状态向量的扩展有限元方法研究

利用哈密顿正则方程的半解析法计算单元位移场和应力场,可以得到精度比较高的解.但此半解析法在计算应力尖峰区域时,该区域要细化网格.当裂纹扩展时,又要重新生成刚度矩阵进行求解,导致求解效率降低.利用扩展有限元处理裂纹的不连续性,当裂纹扩展时可以避免网格的重构.为充分利用状态向量方程和扩展有限元的优势,该文将两者结合起来分析材料的断裂问题:计算应力强度因子和模拟裂纹扩展.最后通过算例分析,验证了该文提出方案的可行性.     

动载下裂纹应力强度因子计算的改进型扩展有限元法

相较于常规扩展有限元法(extended finite element method,XFEM),改进型扩展有限元法(improved XFEM)解决了现有方法线性相关与总体刚度矩阵高度病态问题,在数量级上提升了总体方程的求解效率,克服了现有方法在动力学问题中的能量正确传递、动态应力强度因子数值震荡、精度低下问题.本文基于改进型XFEM,采用Newmark隐式时间积分算法,重点研究了动载荷作用下扩展裂纹尖端应力强度因子的求解方法,与静力学方法相比,增加了裂纹扩展速度项与惯性项的贡献.通过数值算例研究了网格单元尺寸、质量矩阵、时间步长、裂尖加强区域、惯性项、扩展速度项及相互作用积分区域J-domain的网格与单元尺寸对动态应力强度因子求解精度的影响,验证了改进型XFEM计算动态裂纹应力强度因子方法的有效性.针对文献中具有挑战性的"I型半无限长裂纹先稳定后扩展"问题,改进型XFEM给出目前为止精度最好的动态应力强度因子数值解.     

混凝土结构锈胀开裂的扩展有限元数值分析

依据非均匀锈胀理论提出钢筋锈胀作用的计算方法,应用扩展有限元法(XFEM)建立了钢筋锈胀保护层开裂的有限元模型.数值分析表明:采用XFEM与混凝土黏聚力模型能有效模拟混凝土开裂及裂纹扩展,避免了网格重剖分的问题;预裂纹的存在抑制了混凝土裂纹萌生,却加速了裂纹扩展贯通保护层,且萌生始于预裂纹尖端,而非钢筋-混凝土锈蚀层界面处;初始无损伤结构裂纹萌生位置对称分布于锈蚀层界面一定范围内,裂尖距交界面距离越大,单元受锈胀影响越小,最终贯通保护层主要是锈胀位移与锈蚀产物渗入裂缝产生作用力共同作用的结果,且裂纹扩展角趋于120°;提高混凝土等级和增大保护层厚度能有效延缓锈胀裂缝的产生与发展,有利于提高结构耐久性.     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

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。     

基于扩展有限元法的混凝土细观断裂破坏过程模拟

扩展有限元法（XFEM）是分析不连续力学问题（特别是断裂问题）的一种有效的数值方法。在常规的有限元位移模式中，基于单位分解的思想加入一个跳跃函数和渐进缝尖位移场来对不连续体附近的节点自由度进行局部加强，从而反映了位移的不连续性。介绍了扩展有限元的基本原理，给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法，最后采用扩展有限元法模拟了湿筛混凝土单轴拉伸作用下及WinklerL-型混凝土板的细观断裂破坏过程。分析了混凝土裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态，数值结果与实验结果吻合良好。研究表明：扩展有限元法通过特定的位移模式，使裂纹两侧不连续位移场的表达独立于网格划分，能有效地模拟混凝土材料细观断裂破坏过程。     

基于泛形理论的裂纹扩展路径模拟

材料断裂面的泛形特征是由于材料内部不均匀造成的．本文利用纳米压痕实验测得的弹性模量随机样本，得到了表示材料非均匀特性的Weibull统计分布参数；对含裂纹的HT250试件的裂纹扩展过程进行了基于扩展有限元法的数值模拟，在此结果上计算了裂纹扩展路径的泛形复杂度，模拟结果与试验结果吻合较好；分析了铝合金7075不同均质度对非均匀模型裂纹扩展的影响．研究结果表明，灰口铸铁的Ⅰ型裂纹扩展路径具有泛形特征，裂纹的泛形复杂度依赖于材料的非均匀性且呈负相关关系．该研究方法也适用于其他应力应变呈单值关系材料的裂纹扩展分析．     

Extended finite element modeling of production from a reservoir embedded with an arbitrary fracture network

A numerical scheme based on the eXtended Finite Element Method (XFEM) is proposed to simulate complex fluid flow in a fractured porous reservoir. By enriching the elements fully cut by the fracture and the near‐tip region, the flow mechanism including the tip flux singularity can be exactly represented in the XFEM formulation. Fluid transfer between the matrix and the fractures can be easily coupled, and XFEM also overcomes the sensitivity to the mesh used in the traditional unstructured discretizations, regardless of the complexity of the fracture network. The method is validated for a simple case by the exact analytical solution. Results are compared between XFEM and FEM. Case studies are presented to illustrate the power, efficiency, accuracy, and flexibility of the proposed method for simulating transient productive flow in reservoirs with complex fracture networks.     

Evolving crack patterns in thin films with the extended finite element method

This paper develops the extended finite element method (XFEM) to evolve patterns of multiple cracks, in a brittle thin film bonded to an elastic substrate, with a relatively coarse mesh, and without remeshing during evolution. A shear lag model describes the deformation in three dimensions with approximate field equations in two-dimensions. The film is susceptible to subcritical cracking, obeying a kinetic law that relates the velocity of each crack to its energy release rate. At a given time, the XFEM solves the field equations and calculates the energy release rate of every crack. For a small time step, each crack is extended in the direction of maximal hoop stress, and by a length set by the kinetic law. To confirm the accuracy of the XFEM, we compare our simulation to the exiting solutions for several simple crack patterns, such as a single crack and a set of parallel cracks. We then simulate the evolution of multiple cracks, initially in a small region of the film but of different lengths, showing curved crack propagation and crack tip shielding. Starting with multiple small cracks throughout the film, the XFEM can generate the well-known mud crack pattern.     

直接计算应力强度因子的扩展有限元法

系统地给出了直接计算应力强度因子的扩展有限元法。该方法以常规有限元法为基础,利用单位分解法思想,通过在近似位移表达式中增加能够反映裂纹面的不连续函数及反映裂尖局部特性的裂尖渐进位移场函数,间接体现裂纹面的存在,从而无需使裂纹面与有限元网格一致,无需在裂尖布置高密度网格,也不需要后处理就可以直接计算出应力强度因子,并且大大简化了前后处理工作。最后通过两个简单算例验证了该方法的精度,分析了影响计算结果的因素,并与采用J积分计算的应力强度因子作了对比,得出了两种方法计算精度相当的结论。     

Thermoelastic analysis of multiple defects with the extended finite element method

In this paper, the extended finite element method (XFEM) is adopted to analyze the interaction between a sin-gle macroscopic inclusion and a single macroscopic crack as well as that between multiple macroscopic or micro-scopic defects under thermal/mechanical load. The effects of different shapes of multiple inclusions on the material thermomechanical response are investigated, and the level set method is coupled with XFEM to analyze the interaction of multiple defects. Further, the discretized extended finite element approximations in relation to thermoelastic prob-lems of multiple defects under displacement or temperature field are given. Also, the interfaces of cracks or materials are represented by level set functions, which allow the mesh assignment not to conform to crack or material interfaces. Moreover, stress intensity factors of cracks are obtained by the interaction integral method or the M-integral method, and the stress/strain/stiffness fields are simulated in the case of multiple cracks or multiple inclusions. Finally, some numer-ical examples are provided to demonstrate the accuracy of our proposed method.     

自适应一致性高阶无单元伽辽金法

近来提出的一致性高阶无单元伽辽金法通过导数修正技术大幅度减少了所需积分点数目,并能够精确地通过线性和二次分片试验,显著改善标准无单元伽辽金法的计算效率、精度和收敛性.本文在此基础之上,充分利用无单元法易于在局部区域添加节点的优势,发展了一致性高阶无单元伽辽金法的h型自适应分析方法.根据应变能密度梯度该方法自适应地确定需节点加密的区域,基于背景积分网格的局部多层细化要求生成新的计算节点,同时考虑了节点分布由密到疏渐进过渡的情形.采用相邻两次计算的应变能的相对误差作为自适应过程的停止准则,将所发展自适应无网格法应用于由几何外形、边界外载和体力等因素造成的应力集中问题的计算分析.数值结果表明,所发展方法能够自适应地对高应力梯度区域进行节点加密,自动给出合理的计算节点分布.与已有的标准无网格法的自适应分析相比,所发展方法在计算效率、精度和应力场光滑性等方面均展现出显著优势.与采用节点均匀分布的一致性高阶无单元伽辽金法相比,它大幅度地减少了计算节点数目,有效提高了一致性高阶无单元伽辽金法在分析应力集中等存在局部高梯度问题时的计算效率和求解精度.     

An extended finite element method for the simulation of particulate viscoelastic flows

We present an extended finite element method (XFEM) for the direct numerical simulation of the flow of viscoelastic fluids with suspended particles. For moving particle problems, we devise a temporary arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) scheme which defines the mapping of field variables at previous time levels onto the computational mesh at the current time level. In this method, a regular mesh is used for the whole computational domain including both fluid and particles. A temporary ALE mesh is constructed separately and the computational mesh is kept unchanged throughout the whole computations. Particles are moving on a fixed Eulerian mesh without any need of re-meshing. For mesh refinements around the interface, we combine XFEM with the grid deformation method, in which nodal points are redistributed close to the interface while preserving the mesh topology. Our method is verified by comparing with the results of boundary fitted mesh problems combined with the conventional ALE scheme. The proposed method shows similar accuracy compared with boundary fitted mesh problems and superior accuracy compared with the fictitious domain method. If the grid deformation method is combined with XFEM, the required computational time is reduced significantly compared to uniform mesh refinements, while providing mesh convergent solutions. We apply the proposed method to the particle migration in rotating Couette flow of a Giesekus fluid. We investigate the effect of initial particle positions, the Weissenberg number, the mobility parameter of the Giesekus model and the particle size on the particle migration. We also show two-particle interactions in confined shear flow of a viscoelastic fluid. We find three different regimes of particle motions according to initial separations of particles.     

扩展有限元裂尖场精度研究

论述了扩展有限元方法和基本原理,研究了单元类型(四边形单元和三角形单元、线性单元和二次单元)、网格密度、J积分区域半径等因素对裂尖局部应力场(应力强度因子)计算精度的影响。研究发现,上述因素对裂尖应力强度因子计算的收敛速度与稳定性影响不大,证实了XFEM可以用较少的节点获得较高的裂尖场精度,并提出了通过固定裂尖附加区半径可以进一步改善XFEM的收敛速度。     

裂纹问题的一致性高阶无网格法

一致性高阶无网格法能高效精确地求解连续体问题，尤其是能得到高精度的应力场。本文将该方法拓展到应力解析精度至关重要的裂纹问题（即非连续体问题）的数值分析。采用背景积分网格描述裂纹几何，基于无需增加节点额外自由度的虚拟节点法描述裂纹处位移场的间断，提出了虚拟节点的引入算法和断裂单元的数值积分方法。为进一步模拟裂纹扩展，采用相互作用积分方法计算应力强度因子，裂纹的扩展方向由最大周向应力准则确定。数值结果表明，本文发展方法能够精确地通过间断分片试验；相较于标准的高阶无网格法和低阶一致性无网格法，本文的一致性高阶无网格法显著改善了应力强度因子的计算精度，能够准确预测裂纹扩展路径。