基于扩展有限元的地质聚合物混凝土断裂过程研究

扩展有限元法是基于常规有限元框架分析裂纹等不连续力学问题的一种有效数值方法,在常规的有限元位移表达式中,增加了能够反映位移不连续性的跳跃函数和渐进缝尖位移场函数来对不连续结构附近的节点自由度进行局部加强。本文介绍了扩展有限元法及粘聚力模型的基本原理,给出了基于扩展有限元法的地质聚合物混凝土断裂过程分析方法。分别采用四种不同的软化曲线对I型缺口地质聚合物混凝土梁从裂纹萌生、扩展直至断裂破坏的全过程进行了模拟,并基于双K断裂准则分析了其断裂韧性。结果表明,Petersson模型与试验结果吻合较好,最后基于模拟结果进一步揭示了断裂过程区的演化过程。     

混凝土双K断裂参数计算的半解析有限元法

混凝土裂缝扩展的双$K$断裂准则，用于描述混凝土结构裂缝的起裂、稳定扩 展和失稳断裂. 其相应的双$K$断裂参数(起裂断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm ini} $和失 稳断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm un}$)一般通过简便的试验和基于虚拟裂缝扩展粘 聚力的解析方法确定. 利用平面扇形域哈 密顿体系的方程，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，以解析的方法推导出基于混 凝土虚拟裂缝扩展线性粘聚力模型的平面裂缝解析元列式. 将该解析元与有限元相结合，构成 半解析的有限元法，可求解任意结构几何形状的混凝土平面裂缝双$K$断裂参数的计算问题. 数值计算结果表明半解析有限元法对该类问题的求解是十分有效的.     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

纳米镍板裂纹扩展的分子动力学模拟和宏微观分析

建立了半无限弹性纳米镍板Ⅰ型裂纹扩展的二维分子动力学计算模型。采用镶嵌原子法描述原子间作用,模拟了纳观裂纹区在远场常应变率作用下变化直至起始扩展的过程。同时基于原子势函数和二维正三角形晶格常数计算材料弹性参数,进行连续介质力学断裂分析。分子动力学模拟和宏微观分析均得到裂纹起始扩展的临界时刻、裂尖应力场和原子平均能量。二者的结果比较表明本文的二维简化模型和模拟方法可以准确地描述Ⅰ型裂纹扩展的物理本质,基于原子势函数和晶格常数的连续介质力学分析也是一种可行的研究纳米材料断裂的方法。     

力电耦合扩展无网格伽辽金法在压电柔性臂断裂分析中的研究

为提高含裂纹压电柔性臂在断裂分析中的求解精度,基于压电材料断裂力学理论,建立了压电柔性臂的力学分析模型。将描述裂纹尖端奇异性的位移场函数和电场函数引入到传统无网格伽辽金法中,提出了力电耦合扩展无网格伽辽金法。与传统无网格伽辽金法相比,本方法只需要较小的影响域来描述裂尖奇异场,并且节点影响域不会被裂纹线影响,不要可视准则和衍射准则,提高了计算精度。由虚拟裂纹闭合法推导了压电材料能量释放率,讨论了不同高斯点密度对强计算结果的影响。与解析解、有限元法的计算结果进行了比较,在高斯点个数为6×6时,扩展无网格伽辽金法的计算误差为1.88%,明显好于有限元的计算误差2.5%。数值算例结果表明本方法具有较高的计算精度。     

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.      

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。     

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.      

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。     

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。     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

Finite Fracture Mechanics at elastic interfaces

In the present paper we provide a method to determine the load causing delamination along an interface in a composite structure. The method is based on the elastic interface model, according to which the interface is equivalent to a bed of linear elastic springs, and on Finite Fracture Mechanics, a crack propagation criterion recently proposed for homogeneous structures. The procedure outlined is general. Details are given for the pull–push shear test. For such geometry, the failure load is obtained and compared with the estimates provided by stress concentration analysis and Linear Elastic Fracture Mechanics. It is seen that Finite Fracture Mechanics provides intermediate values. Furthermore, it is shown that the predictions provided by Finite Fracture Mechanics are almost coincident with the ones provided by the Cohesive Crack Model. As far as we are concerned with the determination of the failure load, the advantage of using Finite Fracture Mechanics with respect to the Cohesive Crack Model is evident, since a troublesome analysis of the softening taking place in the fracture process zone is not necessary. A final comparison with classical fracture criteria based on critical distances, such as the average stress criterion, concludes the paper.     

Application of scaled boundary finite element method in static and dynamic fracture problems

The scaled boundary finite element method (SBFEM) is a recently developed numerical method combining advantages of both finite element methods (FEM) and boundary element methods (BEM) and with its own special features as well. One of the most prominent advantages is its capability of calculating stress intensity factors (SIFs) directly from the stress solutions whose singularities at crack tips are analytically represented. This advantage is taken in this study to model static and dynamic fracture problems. For static problems, a remeshing algorithm as simple as used in the BEM is developed while retaining the generality and flexibility of the FEM. Fully-automatic modelling of the mixed-mode crack propagation is then realised by combining the remeshing algorithm with a propagation criterion. For dynamic fracture problems, a newly developed series-increasing solution to the SBFEM governing equations in the frequency domain is applied to calculate dynamic SIFs. Three plane problems are modelled. The numerical results show that the SBFEM can accurately predict static and dynamic SIFs, cracking paths and load-displacement curves, using only a fraction of degrees of freedom generally needed by the traditional finite element methods.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (50579081) and the Australian Research Council (DP0452681)The English text was polished by Keren Wang.     

岩石劈裂破坏过程的计算模拟

岩体的破坏主要是岩体中裂纹的扩展与贯通的结果.受压岩体的裂纹尖端,可能处于压剪状态,也可能处于拉剪状态.从断裂力学的角度,研究了地下工程围岩中的裂纹在各种受力条件下(包括拉剪、压剪两种情况)的起裂、扩展及贯通以至最终形成劈裂裂缝的特征及各个阶段的判据.针对压剪断裂,裂纹之间存在有粘结力与摩擦强度的特征,提出了岩石压剪断裂性判据.最后以受压岩体中的斜裂纹扩展过程分析为例,模拟了岩体中裂纹逐渐发展成劈裂破坏的过程,并说明了各个阶段的计算方法.     

数学网格和物理网格分离的有限单元法(II):粘聚裂纹扩展问题中的应用

强化有限单元法将物理网格与数学网格分离开来,可以方便地描述非连续变形;粘聚区域模型是模拟断裂过程区作用最简单有效的方法,且可以避免裂纹尖端的应力奇异性.本文以平面问题为例,将强化有限单元法与粘聚区域模型相结合,利用富集数学节点描述任意粘聚裂纹扩展过程中的非连续变形问题,提出了裂纹扩展过程中数学节点富集和数学单元定义的方法.本文还导出了与平面4～8节点平面等参单元对应的8～16节点粘聚裂纹单元列武.最后,通过三点弯梁的裂纹扩展过程模拟验证了本文提出的粘聚裂纹扩展模拟方法的有效性.     

基于分子动力学的结合材料界面破坏准则

结合材料的破坏通常都是从界面或其附近发生的,但界面破坏的机理及其评价准则尚未十分清楚.采用分子动力学模拟方法,可以对结合材料的界面破坏过程进行模拟,从而获得结合材料的界面应力和界面破坏之间的关系.界面破坏可以分为奇异应力场作用下的破坏,和界面应力集中引起的破坏两种.虽然在分子动力学模拟中采用了高度简化的界面模型,但对界面破坏过程的模拟,仍可以帮助人们获得结合材料界面破坏过程的规律性认识.分别模拟远场作用下界面上存在初始裂纹和界面附近存在初始裂纹两种情况下的界面破坏,根据分子动力学模拟结果,提出了一个结合材料界面破坏的准则.     

基于GMTS准则的岩石复合型断裂机理研究

使用国际岩石力学协会规定的半圆盘岩石试件,加工不同倾角的直裂纹试样,通过三点弯曲加载试验得到不同I-II复合比断裂的断裂韧性和初始断裂角．传统裂纹扩展准则忽视了常数项即T应力及更高阶项的影响,导致该扩展准则的理论预测结果存在较大缺陷,本文通过考虑常数项,建立广义最大周向应力准则(GMTS)．在此基础上,分别采用传统的裂纹扩展准则和考虑T应力的裂纹扩展准则预测不同复合比裂纹的断裂韧性和初始扩展角,然后对比理论预测结果和实验结果．分析可得：常数项即T应力对断裂的临界应力强度因子和初始断裂角的影响是不可忽略的,且II型断裂占比较大时影响更大,广义最大周向应力准则预测值与实验测试结果之间的误差最小．     

Numerical modeling of discrete multi-crack growth applied to pattern formation in geological brittle media

We describe a finite element-based method to propagate multiple fractures simultaneously. The algorithm is iterative and it simulates sub-critical quasi-static crack propagation. The matrix is homogeneous and isotropic, and behaves linear elastically. The algorithmic cornerstones are a failure criterion, a propagation criterion, and a propagation angle. Fracture geometries are kept track of independently of the mesh allowing geometric handling of fracture arrest, closure, and coalescence. Fracture aperture is an emergent property of the model. The mesh is adaptively remeshed to capture variations in the geometry and displacement field. Generated patterns reproduce observed crack paths in physical experiments. Algorithm efficiency scales linearly. The model reproduces en-echelon crack linkage, fracture hooking, and orthogonal tip approximation patterns. Our numerical experiments closely match physical experiments. Remeshing consumes <2% of the total computational time demonstrating current computational capabilities allow for discrete crack propagation to be viable for multiple crack propagation.     

缝水压力和裂缝面接触条件对重力坝裂缝扩展影响

基于多边形比例边界有限元模拟了重力坝裂缝扩展过程,综合考虑了坝-库水-地基相互作用、裂缝面接触和缝水压力的影响。其中该接触模型能够有效防止裂缝面的相互嵌入;该缝水模型除能考虑裂缝面开合速度、缝隙宽度和水流形态对缝水压力分布的影响,还可基于连续性条件模拟缝内水体流动和空化的现象。以Koyna坝裂缝扩展为例,研究了裂缝面接触条件和缝水压力对计算结果的影响。结果显示,考虑接触的影响,震损较为严重。而与假定为常水压力分布的情况相比,实际的缝水压力分布形式对结果影响较为复杂。在裂缝张开时,减小了裂缝扩展的可能,而在裂缝闭合时正好与之相反。