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。     

金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。     

混凝土断裂的连续-非连续方法

采用有限元形函数作为单位分解函数,位移间断用富集节点的附加自由度表示,建立了允许在单元内部位移非连续的局部富集公式以表征混凝土的开裂区域．富集基函数由节点形函数和节点形函数与间断函数的乘积的并集构成．非连续位移的扩展路径完全与网格结构无关．不同于以非协调应变为基础的嵌入非连续模型,对单元的类型没有限制而且间断位移可以贯穿单元边界．局部富集思想与扩展有限元类似,但富集点自由度保持节点位移的物理意义不变,使相邻单元无需进行富集运算．在变分公式中引入混凝土粘结本构定律,推导了考虑断裂过程区非线性影响的基本方程．对混凝土粘结裂纹扩展的数值模拟说明了该计算方法的有效性．     

矩形平面应力扩展有限元及其程序实施

扩展有限元法(XFEM)是一种新的求解不连续问题的数值方法,由于该方法建立在传统有限元法框架内,而且避免了不连续界面扩展时的网格重新划分,所以,近年来扩展有限元法是工程力学领域里的一个研究热点.本文基于Zi和Belytschko新近提出的一种不连续位移场假设,推导了求解粘着裂纹扩展问题的矩形扩展有限元公式和离散方程.提出了基于位移加载的直接迭代的算法来求解非线性有限元方程,并给出了详细的过程.编写了Fortran程序,模拟了三点弯曲梁开裂问题,得到的结果与已知文献结果吻合,验证了方法、公式和所编写的程序的正确性.     

含两类附加函数的扩展等参有限元法

基于扩展有限元的基本思想,提出一类指数型间断函数来模拟。由于裂纹或节理等非连续结构所导致的位移不连续现象,该附加函数是以到间断处的垂直距离为自变量,且随距离的增大而呈指数衰减,同时,在非连续结构末端引入能反映其奇异场特性的三角基函数。本文用弱解形式推导了扩展有限元格式,并论证了两类附加函数在单元公共边上能够保持位移连续性这一要求。最后,编制了二维4节点和三维8节点的扩展等参有限元程序,并分别给出了算例,结果表明在模拟裂纹追踪时,扩展有限元法可行且有效。     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

一种裂纹扩展的有限元仿真分析方法及其实现

为分析含多裂纹体在任意载荷下的断裂过程问题,给出了一种基于有限元的仿真方法及程序.基于商业有限元软件的应力分析结果和合适的断裂力学准则,判断裂纹的扩展以及扩展角;通过对每一个裂纹尖端扩展影响区域进行单元重划分,实现了多裂纹任意扩展的几何描述有限元模型更新.由于只对裂纹扩展区局部进行有限单元更新,网格划分和前期网格结果到新网格的映射的工作量相对较小,典型的裂纹扩展分析实例表明本文方法和程序的有效性.     

混合Trefftz有限元法反平面断裂问题的探讨

基于修正变分原理,采用满足控制微分方程的应力和位移混合Trefftz函数,满足裂纹单元断裂性质的特殊Trefftz函数以及满足裂纹尖端条件的附加试函数,推导出混合Trefftz有限元法反平面断裂问题公式,给出应力集中因子解析表达式.同时,给出单个边裂纹、单个曲折裂纹和三个边裂纹反平面裂纹问题三个算例,探讨特殊Trefftz函数个数、破裂单元个数、高斯点数以及不同附加试函数对结果的影响.最后,将计算结果与一般有限元算法或其它方法结果进行对比,分析了混合Trefftz有限元法的精确性和高效性.     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

基于光滑有限元法的热-弹相场断裂研究

基于相场理论，论文构建了热力耦合作用下热-弹性材料的复杂断裂控制方程，采用光滑有限元法对该模型进行了数值离散；设计编写了相应的Matlab计算程序；开展了热-力载荷下的二维拉伸断裂模拟，将结果和有限元计算结果对比，吻合一致.同时采用该模型开展热冲击下陶瓷板的多裂纹扩展过程模拟，计算结果和实验结果吻合良好，验证了论文方法的有效性.     

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.     

光滑扩展有限元方法及其特点研究

将光滑有限元法S-FEM（Smoothed Finite Element Method）的子域光滑应变技术和边域光滑应变技术同时引入到扩展有限元XFEM（Extended Finite Element Method）中，提出一种新的光滑扩展有限元法S-XFEM（Smoothed Extended Finite Element Method）。在单元选取及扩充结点选取时采用ES-FEM的光滑域划分方式，在数值积分计算刚度矩阵时采用基于三角形子域的CS-FEM积分思路，并给出了高斯点的积分策略。设计了S-XFEM程序架构并利用Matlab语言编制了S-XFEM计算程序。通过几个经典算例研究对比了XFEM和S-XFEM的特点，验证了S-XFEM的精确性和适用性。结果表明，XFEM和S-XFEM均具有很高的计算精确性和收敛性，XFEM计算精度略高于S-XFEM，而S-XFEM在网格独立性上则明显优于XFEM。     

固体力学应力分析中的有限域法

本文给出了用有限域法进行了和学应力分析的一般原理，并与目前广泛采用的有限元不做了比较。文中的研究表明：有限域法与有限元法极为相似，前者使用单位位移加权，后者从虚位移原理出发；两种方法的实施过程也有共同点，它们都进行网络部分及逼近。     

Daubechies条件小波有限元法研究

为拓展小波理论在结构工程中的应用,提高结构计算精度,提出了以Daubechies条件小波Ritz法为基础的Daubechies条件小波有限元法。该法结合广义变分原理和拉格朗日乘子法构造修正泛函,根据修正泛函的驻值条件得到全域法求解方程矩阵。根据构件的边界条件,按左右边界对求解矩阵进行相应拆分,构建条件小波单元刚度矩阵,并依据公共节点位移相等原则形成总体刚度矩阵,由此解得各单元的小波基待定系数,即可进一步求解位移场函数、内力分布函数及荷载集度函数。以工程中常见的弹性拉压杆及平面弯曲梁为例,详细阐述了该方法的构造过程。并通过典型算例将Daubechies条件小波有限元法计算值与理论解进行了对比,结果表明:在弹性拉压杆算例中,位移、应力、载荷集度的相对误差均在1.22×10-3%以内;在平面弯曲梁算例中,挠度、弯矩、载荷集度的相对误差均在8.91×10-2%以内。     

基于有限断裂法和比例边界有限元法的裂纹扩展模拟

基于有限断裂法和比例边界有限元法提出了一种裂缝开裂过程模拟的数值模型。采用基于有限断裂法的混合断裂准则作为起裂及扩展的判断标准,当最大环向应力和能量释放率同时达到其临界值时,裂缝扩展。结合多边形比例边界有限元法,可以半解析地求解裂尖区域附近的应力场和位移场,在裂尖附近无需富集即可获得高精度的解。计算能量释放率时,只需将裂尖多边形内的裂尖位置局部调整,无需改变整体网格的分布,网格重剖分的工作量降至最少。裂缝扩展步长通过混合断裂准则确定,避免了人为假设的随意性,并可以实现裂缝变步长扩展的模拟,更符合实际情况。通过对四点剪切梁的复合型裂缝扩展过程的模拟,对本文模型进行了验证,并应用于重力坝模型的裂缝扩展模拟,计算结果表明,本文提出的模型简单易行且精度较高。     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

Fluid–structure interaction approaches on fixed grids based on two different domain decomposition ideas

This paper presents two domain decomposition techniques for fixed grid fluid–structure interaction simulations that can be applied to the interaction of general structures with incompressible flows. One approach is based on an overlapping domain decomposition idea while the other uses non-overlapping domains. The first technique combines a fixed grid Chimera approach with arbitrary Lagrangean Eulerian based methods, the second one is based on an eXtended Finite Element Method (XFEM) strategy. Both techniques are used in a partitioned and strong coupling fluid–structure framework. The usage of such fixed-grid methods considerably increases the range of possible applications. Several test examples demonstrate key features of both methods.     

扩展有限元方法计算多夹杂问题时圆形夹杂与四边形单元的几何关系

用扩展有限元法XFEM(Extended Finite Element Method)解决夹杂问题时,夹杂与基质的界面把单元分成若干部分.求单元刚度矩阵时,需要分别在这各个部分求积分.找到便于程序编制的描述各积分区域几何形状的方法是亟待解决的问题.本文把各积分区域的形成过程看成是圆对四边形的多次切割.考虑切剩区域与圆的关系时,把不完整的边仍看作完整的边,把切剩区域看成是四边形或是切去一两条边的四边形.采用排列组合的方法,把它们与圆的所有位置关系列了出来.     

Fatigue crack growth simulation in coated materials using X-FEM

In the present work, the eXtended Finite Element Method (XFEM) is used to study the effect of bi-material interfaces on fatigue life in galvanised panels. X-FEM and Paris law are implemented in ABAQUS software using Python code. The XFEM method proved to be an adequate method for stress intensity factor computation, and, furthermore, no remeshing is required for crack growth simulations. A study of fatigue crack growth is conducted for several substrate materials, and the influence of the initial crack angle is ascertained. This study also compares the crack growth rate between three types of bi-materials alloys zinc/steel, zinc/aluminium, and zinc/zinc. The interaction between two cracks and fatigue life, in the presence of bi-material interface, is investigated as well.