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.      

扩展有限元法(XFEM)及其应用

扩展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一种求解不连续力学问题的数值方法, 它继承了常规有限元法(CFEM)的所有优点, 在模拟界面、裂纹生长、复杂流体等不连续问题时特别有效, 短短几年间得到了快速发展与应用. XFEM与CFEM的最根本区别在于, 它所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关, 从而克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难, 模拟裂纹生长时也无需对网格进行重新剖分.重点介绍XFEM的基本原理、实施步骤及应用实例等, 并进行必要的评述. 单位分解概念保证了XFEM的收敛, 基于此, XFEM通过改进单元的形状函数使之包含问题不连续性的基本成分, 从而放松对网格密度的过分要求. 水平集法是XFEM中常用的确定内部界面位置和跟踪其生长的数值技术, 任何内部界面可用它的零水平集函数表示. 第2和第3节分别简要介绍单位分解法和水平集法;第4节和第5节介绍XFEM的基本思想、详细实施步骤和若干应用实例, 同时修正了以往文献中的一些不妥之处; 最后, 初步展望了该领域尚需进一步研究的课题.      

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.      

改进型XFEM进展

扩展有限元法(XFEM)在诞生后的十几年时间里,引起学术界和工业界的广泛关注,并已经成为目前裂纹分析的主流数值方法。然而,在实际应用中该法一直受到两方面的困扰,(1)总体方程高度病态;刚度阵条件数随网格尺寸呈h-6变化(普通有限元为h-2)。(2)裂尖强化插值由于能量一致性问题无法直接推广应用于动力学计算。前者表现在XFEM稳态问题的迭代求解收敛慢或难以收敛,后者长期以来导致XFEM裂纹扩展动力学计算实施困难。本文认为XFEM目前遇到的种种困难,均与单位分解引入的额外自由度相关。为此,提出了无额外自由度的单位分解插值格式,基于此格式,进一步构造出改进型扩展有限元方法。改进型XFEM具有如下特点,(1)可以消除原有XFEM的线性依赖性和总体方程病态的问题。(2)避免动力学问题中额外自由度引起的质量集中、零临界时间步长问题以及裂纹扩展过程中的能量一致性问题。本文结合静动力学测试问题综述上述改进。     

基于XFEM与自适应网格的非均质材料裂纹扩展模拟

针对含有间断的非均匀材料的断裂问题，本文将虚节点多边形单元的形函数引入到扩展有限元（XFEM）中，提出了一种基于四叉树结构的动态网格细化方法，该方法可对间断面附近单元实现可调控的多层级细化，特别是对于裂纹扩展问题，可实现裂尖附近单元的动态网格细化与粗化。基于以上网格细化方法，本文提出了针对非均匀材质裂纹扩展问题的计算方法VP-XFEM。为验证算法的准确性与计算效率，针对含有孔洞及材料界面的断裂问题，本文给出了相应的算例。结果显示，与传统的一致性网格的XFEM相比，VP-XFEM能够明显改善计算精度与计算效率。     

模拟裂纹扩展的单位分解扩展无网格法

单位分解扩展无网格法(PUEM)是一种求解不连续问题的新型无网格方法.其基于单位分解思想,通过在传统无网格法的近似函数中加入扩展项来反映由裂纹所产生的不连续位移场.详细描述了水平集方法,PUEM不连续近似函数的构造及控制方程的离散.针对裂纹扩展问题,提出了一种十分简单的水平集更新算法;讨论了不同的节点数、高斯积分阶次以及围线积分区域对应力强度因子计算结果的影响,并给出了合理的参数;模拟了边裂纹和中心裂纹的扩展问题,并与XFEM的数值结果进行了比较.数值算例表明,本文方法具有较高的计算精度,是模拟裂纹扩展非常有效的方法,具有广阔的应用前景.     

广义扩展有限元法及其在裂纹扩展分析中的应用

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM)。阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实施中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序。通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程。算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度。     

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。     

弱不连续问题扩展有限元法的数值精度研究

主要研究了扩展有限元法(extended finite element method, XFEM)在处理弱不连续问题时不同改进函数形式对XFEM数值求解精度的影响,阐述了各种改进函数影响XFEM求解精度的关键因素,指出校正的扩展有限元法(corrected-XFEM)能够提高数值求解精度的实质在于它拓展了改进结点域,即将常规扩展有限元法(standard-XFEM)的改进结点域增加一层作为corrected-XFEM的改进结点域,文中建议延拓corrected-XFEM的改进结点域,即在corrected-XFEM的改进结点域基础上再增加一层改进结点. 利用水平集函数表征材料内部的不连续界面,推导了XFEM求解的支配方程,给出了一种改进单元的数值积分方案以及改进单元处高精度应力的求解方法. 含夹杂问题的数值计算结果表明:建议的延拓corrected-XFEM改进结点域的方法能够明显提高XFEM的数值求解精度.      

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.     

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.      

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。     

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.      

非网格重剖分模拟宏观裂纹体的扩展有限单元法(Ⅰ:基础理论)

基于有限元计算网格,扩展有限单元法通过建立特殊的广义节点插值形式来描述含裂缝体的不连续位移场,避免了有限元法模拟裂缝时需要的网格重划分。进而,本文从虚功原理出发,在有限元法框架内完整地推导了能模拟宏观裂纹力学场的扩展有限元法实现公式,在理论上更全面地考虑了内部裂纹面上分布外载荷及缝内粘连材料刚度的影响,并提出了构建统一的扩展有限单元刚度阵形成模式,保证了与传统有限单元方式的协调一致。文中对方法的实现过程也做了详细阐述,给出了通用的计算公式,确保了算法的可行性。     

一种XFEM断裂分析的裂尖单元新型改进函数

提出了一种适用于裂尖改进单元的新型改进函数, 基于三角变换的方法, 保留裂纹尖端场的应力奇异性和裂纹上、下表面的位移不连续性, 将常规扩展有限元法裂尖改进单元的4 项改进函数缩减为2 项, 裂尖改进单元的结点由常规的8 个改进自由度减少为4 个. 采用2 个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面, 详细阐述了改进单元类型的判别方法, 给出一种改进单元的分区域积分方案. 最后, 若干断裂力学问题经典算例的数值计算结果表明:建议的裂尖改进函数具有较高的数值精度, 该方法是十分有效的.     

Adaptive non‐conformal mesh refinement and extended finite element method for viscous flow inside complex moving geometries

Two different techniques to analyze non‐Newtonian viscous flow in complex geometries with internal moving parts and narrow gaps are compared. The first technique is a non‐conforming mesh refinement approach based on the fictitious domain method (FDM), and the second one is the extended finite element method (XFEM). The refinement technique uses one fixed reference mesh, and to impose continuity across non‐conforming regions, constraints using Lagrangian multipliers are used. The size of elements locally in the high shear rate regions is reduced to increase accuracy. FDM is shown to have limitations; therefore, XFEM is applied to decouple the fluid from the internal moving rigid bodies. In XFEM, the discontinuous field variables are captured by using virtual degrees of freedom that serve as enrichment and by applying special integration over the intersected elements. The accuracy of the two methods is demonstrated by direct comparison with results of a boundary‐fitted mesh applied to a two‐dimensional cross section of a twin‐screw extruder. Compared with non‐conforming FDM, XFEM shows a considerable improvement in accuracy around the rigid body, especially in the narrow gap regions. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

ENRICHED GOAL-ORIENTED ERROR ESTIMATION APPLIED TO FRACTURE MECHANICS PROBLEMS SOLVED BY XFEM

Based on the concept of constitutive relation error along with the residual of both origin and dual problems, a goal-oriented error estimation method with extended degrees of freedom is developed in this paper. It leads to high quality local error bounds in the problem of fracture mechanics simulation with extended finite element method (XFEM), which involves enrichment to solve a stress singularity in the crack. Since goal-oriented error estimation with enriched degrees of freedom gives us a chance to evaluate the XFEM simulation, the stress intensity factor calculated by two kinds of XFEM programs developed by ourselves and by commercial code ABAQUS are compared in this work. By comparing the reliability of the stress intensity factor calculation, the accuracy of two programs in different cases is evaluated and the source of error is discussed. A 2-dimensional XFEM example is given to illustrate the computational procedure.