用扩展有限元法分析沥青路面表面裂纹二维扩展

本文将一种新型的求解不连续力学问题数值算法——扩展有限元法(XFEM)引入了沥青路面表面裂纹二维扩展分析。扩展有限元法基于单位分解法的思想,它所使用的网格与内部结构的几何或者物理界面无关,因此可以克服例如裂纹尖端等高应力和变形集中区域进行高密度网格剖分所带来的困难。对于裂纹分析问题,裂纹能够完全独立于有限元网格存在,模拟裂纹扩展时完全不需要进行网格重构。本文先对扩展有限元法的基本原理、相应的改进函数以及线弹性断裂力学的相关理论进行了简单介绍。然后利用沥青路面二维平面应变模型,通过数值算例验证了该方法在沥青路面表面裂纹扩展模拟中的适用性和优势,为扩展有限元法在沥青路面裂纹分析中的进一步应用打下了基础。     

基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法

为提高含裂纹压电材料断裂参数的求解效率和精度,基于扩展无网格理论,引入无网格辅助网格结合哑节点断裂压电单元,提出了基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法。可很好地模拟裂纹尖端奇异性,简化求解过程,提高计算精度。并讨论了不同高斯点个数、不同裂纹长度对能量释放率计算结果的影响,与解析解和基于有限元法的机电虚拟裂纹闭合法计算结果进行了比较,数值算例结果表明本方法正确可行且具有较高的精度。     

混凝土侵彻过程中的裂纹扩展

通过给出混凝土复合型裂纹的开裂判据,对裂纹在单元间的扩展作出假定。采用基于Fortran语言的扩展有限元程序对混凝土侵彻过程中的裂纹扩展进行数值模拟,并对结果进行工程分析,揭示了裂纹扩展规律,展示了扩展有限元法在裂纹扩展分析中的独特优势。     

基于XFEM的钢筋混凝土梁开裂数值模拟

将扩展有限元法应用于钢筋混凝土简支梁开裂过程的数值模拟,采用三维实体单元与三维杆单元分别模拟混凝土与钢筋,在开裂区域预设与实验值相同间距的初始裂缝,并利用非线性弹簧单元来考虑钢筋与混凝土间的黏结滑移作用,得到了加载过程中裂缝的扩展情况、黏结滑移对裂缝扩展的影响、裂缝宽度与外荷载的关系以及纯弯段内裂缝处混凝土和钢筋中应力的分布.分析结果表明:计算得到的裂缝宽度与实验值吻合较好,黏结滑移会使得同样荷载水平下的裂缝更宽,钢筋和混凝土的应力分布与实际情况相符,扩展有限元不用重划网格、不用预设裂纹扩展路径,能有效地进行钢筋混凝土梁的开裂数值模拟.     

基于光滑-扩展有限元法的裂纹扩展研究

为了研究裂纹扩展问题,将光滑有限元法(S-FEM)与扩展有限元法(X-FEM)相结合,形成光滑-扩展有限元法(S-XFEM)算法及程序.首先基于光滑-扩展有限元法理论,得到裂纹应力强度因子计算方法,编写适用于一般有限元法的通用程序,对含有中心裂纹的无限大平板受单向拉伸的模型进行分析.通过改变网格尺寸和裂纹角度分析对裂纹...     

疲劳多裂纹扩展的常规态型近场动力学分析

为改进疲劳多裂纹扩展问题的分析,建立了常规态型近场动力学的疲劳多裂纹扩展模拟方法.在常规态型近场动力学的理论框架基础上,采用近场动力学疲劳裂纹萌生和扩展模型,建立了一个可模拟疲劳裂纹萌生与扩展的平面应力近场动力学模型.针对近场动力学疲劳模型计算量庞大的问题,又引入"临界断裂数"来优化模型的计算流程,提升模型的计算速度,以单边裂纹板为研究对象,通过选取不同"临界断裂数"的值寻求计算效率与裂纹路径精准度之间的平衡.从计算结果的对比中可以发现,当采用恰当的"临界断裂数"时,计算速度得到了较大的提升,同时裂纹仍能保证精准的形状.然后,该模型被用于非共线多裂纹板的疲劳破坏模拟仿真之中,当采用不同的"临界断裂数"时,计算运行得到的疲劳裂纹扩展路径以及相应的a-N曲线均能与实验得到的结果取得良好的吻合.研究结果表明,近场动力学疲劳分析方法不需引入断裂准则和预知裂纹路径,裂纹可以任意扩展.     

基于Neumann展开的Monte-Carlo随机扩展有限元法

基于Neumann级数展开的Monte-Carlo随机有限元在涉及几何构形存在随机性的问题时,需要对网格进行重新划分,需要极大的计算量。为解决该问题,提高运算效率,提出一种新的计算裂纹问题的随机方法。该方法结合了扩展有限元法与随机有限元法的优点,通过对扩展有限元控制方程进行Neumann展开,可方便地处理几何构形的随机性,不需重新划分网格。该方法具有计算量小,计算效率高的优点,并能保持较高的计算精度。利用矩阵级数理论讨论了该方法的收敛性。最后通过数值算例验证了该方法的有效性。     

扩展有限元法求解应力强度因子

在常规有限元单元形函数中加入模拟裂纹不连续位移场的跳跃函数,在裂纹尖端构造反映位移场奇异性的裂尖增强函数,采用相互作用积分法求得裂尖应力强度因子．算例结果表明,扩展有限元方法在分析断裂力学问题时具有计算精度高,对有限元网格依赖性小,操作简便等优点．     

夹杂薄板扩展有限元分析

扩展有限元法在分析不连续问题中体现了比常规有限元法的优越性,能够分析规则夹杂的应力问题.然而实际夹杂大都是不规则的,为此,本文通过引进Mum-ford-Shah模型分割不规则夹杂,利用其水平集函数跟踪不规则夹杂的边界,对于任意形状夹杂建立扩展有限元的附加函数.另外,在网格划分时,采用图像像素作为有限单元,最后列举了两个实例.计算结果表明,该方法能够分析多个任意形状夹杂的应力,与常规有限元法比较,该方法的分析结果是精确的、可行的.     

基于无单元伽辽金法的水工结构温度应力及温度裂纹扩展计算

水工混凝土结构的温度应力及裂纹扩展计算是一大难点。用节点来离散域的无单元伽辽金法由于不需要网格,特别适合模拟裂纹扩展问题。本文主要研究应用无单元法来计算温度应力以及温度裂纹扩展,提出了基于衍射法的折线不连续面模拟方法,并介绍了计算裂纹应力强度因子的围线积分法等,编制了温度裂纹及其扩展计算的VC++程序。通过典型气温骤降温度应力、单边直裂纹和斜裂纹实例对程序进行了验证,算例结果表明其具有较好的精度和可靠性。然后以底部约束混凝土块为例介绍了裂纹扩展的模拟过程及结果。最后对无单元法计算裂纹扩展的一些问题和难题进行了总结。     

Hydro-mechanical modeling of impermeable discontinuity in rock by extended finite element method

The extended finite element method(XFEM) is a numerical method for modeling discontinuities within the classical finite element framework. The computation mesh in XFEM is independent of the discontinuities, such that remeshing for moving discontinuities can be overcome. The extended finite element method is presented for hydro-mechanical modeling of impermeable discontinuities in rock. The governing equation of XFEM for hydraulic fracture modeling is derived by the virtual work principle of the fracture problem considering the water pressure on crack surface. The coupling relationship between water pressure gradient on crack surface and fracture opening width is obtained by semi-analytical and semi-numerical method. This method simplifies coupling analysis iteration and improves computational precision. Finally, the efficiency of the proposed method for modeling hydraulic fracture problems is verified by two examples and the advantages of the XFEM for hydraulic fracturing analysis are displayed.     

Numerical modeling of concrete hydraulic fracturing with extended finite element method

The extended finite element method (XFEM) is a new numerical method for modeling discontinuity. Research about numerical modeling for concrete hydraulic fracturing by XFEM is explored. By building the virtual work principle of the fracture problem considering water pressure on the crack surface, the governing equations of XFEM for hydraulic fracture modeling are derived. Implementation of the XFEM for hydraulic fracturing is presented. Finally, the method is verified by two examples and the advan- tages of ...     

油气井压裂裂缝高度分析

按二维线弹性断裂力学理论,分别用解析法及有限元法分析了水力压裂过程中,原地应力、岩层性质和压裂液密度等因素对裂缝扩展的影响,提出了预测裂缝高度的方法和计算程序。     

龙滩碾压混凝土重力坝水平层面稳定安全的断裂分析

提出了一种适用于分析含压剪裂缝结构的非线性断裂力学数值分析模型——压剪钝裂缝带模型；并基于此模型，提出了一种新的求解方法——调整力向量法，可较方便地求解复杂的压剪断裂问题；并编制了相应的非线性有限元计算程序。进而对龙滩碾压混凝土重力坝的建基面和碾压层进行了压剪断裂过程分析，得到了裂缝的发展过程及相应的应力、应变场，并对软化模型作了计算比较分析；同时，得到了大坝各高程的材料强度储备系数。最后，得出大坝上游防渗措施和保证水平施工缝具有足够的抗渗要求是保证龙滩大坝稳定安全的关键的结论     

Simulation of PFZ on intergranular fracture based on XFEM and CPFEM

A unit cell including the matrix, precipitation free zone(PFZ) and grain boundary was prepared, and the crystal plasticity finite element method(CPFEM) and extended finite element method(XFEM) were used to simulate the propagation of cracks at grain boundary. Simulation results show that the crystallographic orientation of PFZ has significant influence on crack propagation, which includes the crack growth direction and crack growth velocity. The fracture strain of soft orientation is larger than that of hard orientation due to the role of reducing the stress intensity at grain boundary in intergranular brittle fracture. But in intergranular ductile fracture, the fracture strain of soft orientation may be smaller than that of hard orientation due to the roles of deformation localization.     

裂纹对悬臂梁力学响应影响的扩展有限元模拟

扩展有限元继承了传统有限元的优点,在求解以裂纹扩展等为代表的一类不连续力学问题时具有明显的优势.主要探讨了含裂纹单元的积分域剖分,应用Fortran语言开发了相应的程序代码.以悬臂梁结构为例探讨了裂纹以及裂纹扩展对其力学响应的影响,数值结果表明了程序开发的正确性.     

基于XFEM的混凝土三点弯曲梁开裂数值模拟研究

扩展有限元法通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式,使对非连续位移场的表征独立于单元边界.采用扩展有限元法对单边切口混凝土三点弯曲梁进行数值模拟,混凝土采用最大主拉应力牵引损伤开裂准则和线性软化损伤模型,并将结果与试验进行对比,验证模型有效性.结果表明,扩展有限元法模拟值与试验值在起裂韧度、失稳韧度等方面存在差异,但总体相差不大.分析认为存在的差异主要是由于混凝土梁自重、支座摩擦力等原因造成,扩展有限元可有效模拟混凝土梁在含有初始裂缝情况下从加载到失稳破坏的全过程,获得裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态.     

空腹重力坝的断裂力学研究

通过分析空腹重力坝坝踵应力的奇异性,提出采用断裂力学理论对空腹重力坝进行研究.用有限元法分析了空腹重力坝的腹孔面积、腹孔位置和腹孔形状对坝踵裂缝尖端应力强度因子的影响,得出了空腹重力坝的最优断面,对空腹重力坝的设计有重要的参考价值和指导意义     

Stable Fatigue Crack Propagation of 16MnR Steel

A research on the stable fatigue crack propagation of 16MnR steel is investigated systematically in this paper. First, control experiments of 16MnR with compact tension specimen is conducted to study the effect of R-ratios, specimen thickness and notch sizes. The experiments show that the fatigue crack growth (FCG) rate in stable propagation was insensitive to these factors. Then, the stress intensity factor (SIF) is computed and compared by displacement interpolation method, J integral and interaction integral method respectively. The simulation shows that optimization on the mesh density and the angle of singular element improved the computational efficiency and accuracy of SIF and the interaction integral method has an obvious advantage on stability. Finally, the FCG rate is modeled by the Jiang fatigue damage criterion and the extended finite element method (XFEM) respectively. The simulation results of FCG rate are in line with experiments data and indicate that XFEM method is more accurate than Jiang fatigue damage method.