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.      

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.     

C1连续型广义有限元格式

C$^{1}$连续,即一阶导数连续.C$^{1}$连续型插值格式具有同时适用于离散PDE的弱形式与强形式的优点--即一种插值格式可以在使用PDE弱形式还是强形式之间做出选择,从而构造出更加高效的数值方法.由于单位分解广义有限元方法 (PUFEM, Babu${\check{ s}}$ka andMelenk(1997)),允许用户根据局部解的特征自定义任意高阶局部近似,具有精度高、程序实现与传统有限元相容性好的特点而受到广泛关注.但是,其总体近似函数的光滑性是由其所采用的单位分解函数--一般为标准有限元形函数--的光滑性所决定,因此多为C$^{0}$连续.如何在C$^{0}$连续标准有限元形函数的基础上,构造出满足C$^{1}$连续的总体近似函数,是一个仍未解决的问题.本文在作者前期研究的无额外自由度的单位分解插值格式的基础上,仅基于C$^{0}$标准有限元形函数,构造出至少C$^{1}$连续的无额外自由度单位分解格式.针对Poisson方程,讨论了该格式对PDE弱形式与强形式的离散.测试结果表明,方法可以同时用于弱形式与强形式的数值求解,而且可以在不改变网格和自由度数的前提下,获得高阶收敛.使用该插值格式的条件是:网格须是直角坐标网格(不要求均匀).该插值格式可以同时用于流体力学问题和使用欧拉背景网格求解动量方程的固体力学方法,如材料物质点法(materialpoint method).对于强形式的欧拉网格求解,该插值格式与"差分"不同之处在于,它具有有限元一样的在任意点处进行"插值"的特点.对于弱形式的积分求解,由于该插值格式具有导数连续性,可以允许积分网格独立于插值网格.这一特点将使得弱形式的数值积分的实施更加灵活方便.      

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。     

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.     

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.      

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.      

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.     

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.     

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。     

A stabilized Nitsche‐type extended embedding mesh approach for 3D low‐ and high‐Reynolds‐number flows

This paper presents a stabilized extended finite element method (XFEM) based fluid formulation to embed arbitrary fluid patches into a fixed background fluid mesh. The new approach is highly beneficial when it comes to computational grid generation for complex domains, as it allows locally increased resolutions independent from size and structure of the background mesh. Motivating applications for such a domain decomposition technique are complex fluid‐structure interaction problems, where an additional boundary layer mesh is used to accurately capture the flow around the structure. The objective of this work is to provide an accurate and robust XFEM‐based coupling for low‐ as well as high‐Reynolds‐number flows. Our formulation is built from the following essential ingredients: Coupling conditions on the embedded interface are imposed weakly using Nitsche's method supported by extra terms to guarantee mass conservation and to control the convective mass transport across the interface for transient viscous‐dominated and convection‐dominated flows. Residual‐based fluid stabilizations in the interior of the fluid subdomains and accompanying face‐oriented fluid and ghost‐penalty stabilizations in the interface zone stabilize the formulation in the entire fluid domain. A detailed numerical study of our stabilized embedded fluid formulation, including an investigation of variants of Nitsche's method for viscous flows, shows optimal error convergence for viscous‐dominated and convection‐dominated flow problems independent of the interface position. Challenging two‐dimensional and three‐dimensional numerical examples highlight the robustness of our approach in all flow regimes: benchmark computations for laminar flow around a cylinder, a turbulent driven cavity flow at Re = 10000 and the flow interacting with a three‐dimensional flexible wall. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM裂缝计算方法

混凝土结构在服役期间受外界载荷的影响容易产生裂缝, 导致结构刚度降低、构件承载性能衰退, 而采用准确的计算方法预测混凝土裂缝的发展是治理裂缝的基本前提, 也是保障结构安全的重要手段. 连续损伤力学方法(continuou damage method, CDM)能够描述微裂缝的扩展过程, 但不能表示离散的开裂面, 且存在网格诱导偏差及虚假应力传递的弊端, 扩展有限单元法(mechanics-extended finite element method, XFEM)能够描述宏观裂纹的扩展过程, 但不能反映微裂缝的动态扩展, 两者计算出的裂纹分布与实际差异均较大. 现有的CDM-XFEM方法已经能够模拟混凝土微裂缝及宏观裂缝发展的整个过程, 但忽略了宏观裂缝出现时混凝土产生的塑性应变, CDM与XFEM的能量转化过程欠缺平衡性. 因此, 本文重点考虑能量转化时的塑性耗散, 选取指数型函数为粘结裂缝的牵引-分离模式, 基于能量及应力等效的条件重新构建了CDM与XFEM之间的能量转化方程. 采用广义逆最小二乘法求解能量转化系数, 确定能量转化时的临界位移, 并给出了裂缝面水平集的更新算法及整体计算方法的程序流程. 以双切口混凝土受剪拉开裂试验为例, 采用多种裂缝计算方法与试验进行了对比. 结果表明, 采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM方法算出的裂缝分布及拉力-张开位移曲线与试验结果差异最小, 说明采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM计算方法能够更好地计算混凝土裂缝.      

Asymptotics of the frequencies of elastic waves trapped by a small crack in a cylindrical waveguide

An asymptotics of frequencies of waves trapped in a space waveguide with a partially clamped lateral surface and a crack of a small diameter O(h) is obtained. The corresponding eigenvalue is located at a distance O(h ⁶) from the first threshold of the continuous spectrum.     

A hybrid/mixed model finite element analysis for eigenvalue problem of moderately thick plates

The buckling and free vibration problems of moderately thick plate are considered in this paper by using the hybrid/mixed finite element model. A modified Reissner principle which only requires C⁰ continuity is derived. No lockling phenomenon is observed. Linear interpolation is used for all independent unknown function. Finally a displacement generalized eigenvalue equation is obtained, in which the stiffness matrix is symmetric and positively definite. The calculated results show that the method proposed is simple, reliable and satisfactory.     

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。     

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.