基于扩展有限元法的钢筋混凝土梁复合断裂过程模拟研究

针对钢筋混凝土梁裂纹扩展问题,基于扩展有限元法,建立了预置裂纹的简支混凝土梁三维模型,用粘聚裂纹模型描述裂纹面间的力学行为,采用线性的软化曲线表示裂纹尖端断裂过程区的应变软化行为,分别对素混凝土梁和钢筋混凝土梁的复合断裂过程进行模拟,分析了纵向钢筋对裂纹扩展路径、荷载-挠度和荷载 -CMOD (裂缝开口处张开位移)曲线的影响,并与文献中的试验结果进行对比,计算结果与试验结果吻合良好,展示了扩展有限元法在结构断裂破坏分析方面的独特优势。     

混凝土裂纹扩展过程模拟的扩展有限元法研究

扩展有限元法(theextendedFiniteElementMethod,XFEM)为数值模拟结构裂纹扩展过程提供了一条有效途径。该文介绍了用扩展有限元法对混凝土结构裂纹扩展过程进行数值模拟的实现方法。采用虚拟裂缝模型模拟混凝土非线性断裂行为,针对二维四边形单元推导了详细的有限元列式。采用3种方案对非线性方程系统进行求解,分析了其求解思路并概括了其求解步骤。通过对带初始边缘裂纹的单向拉伸混凝土板的数值模拟,对3种求解方案的计算结果进行了分析和讨论。     

基于扩展有限元方法的界面接触算法

该文构建了适用于扩展有限元法(XFEM)的界面接触算法,该算法具备模拟界面上粘连、滑动和分离状态的能力.对平面摩擦问题的计算结果表明,该方法对于界面接触行为的描述能力与常规接触面单元十分接近.对平面应变压剪试样中剪切带问题的模拟分析表明,该算法合理地反映了摩擦接触的耗散机制,从而避免了零能耗散现象,能够较准确地描述平面...     

用T积分研究硬聚氯乙烯粘塑性裂纹扩展

采用作者建立的硬聚氯乙烯的粘塑性本构模型,以CT试样为研究对象进行粘塑性有限元分析,并在此基础上编程计算T积分,然后再用T积分与实验所得的裂纹扩展速率关联.研究结果显示,描述蠕变延性材料和蠕变脆性材料粘塑性裂纹扩展速率的控制参量是不同的.T积分不适合作为硬聚氯乙烯粘塑性裂纹扩展的控制参量.     

水力压裂过程的扩展有限元数值模拟方法

建立了基于扩展有限元法的水力压裂数值模拟方法,使水力裂缝独立于网格存在,无需预设裂缝扩展方位。在扩展有限元计算框架下,将裂缝面处理为求解域内边界,将缝内水压力转化为相关单元等效节点力;运用考虑缝内水压力作用的相互积分法来数值求解缝尖应力强度因子;采用最大能量释放率准则确定裂缝是否继续扩展及扩展方位;最终编制了计算机程序。利用该方法数值模拟了单条水力裂缝在恒定水压力作用下作非平面扩展,所得结果分别与室内试验和解析模型相对比。结果表明,数值结果与室内试验和解析解吻合较好,缝尖应力强度因子最大相对误差不高于0.45%,验证了该方法的可行性和准确性。     

冲击压缩下准脆性材料含微裂纹损伤的本构模型

基于准脆性材料中翼型拉伸裂纹的成核准则,运用细观损伤理论推导了翼型裂纹损伤对材料弹性模量的弱化作用.考虑裂纹扩展对材料动态断裂的滞后效应,建立了动态裂纹扩展准则,并给出损伤演化方程,在此基础上建立了准脆性材料单轴冲击压缩下的动态损伤本构模型.结合氧化铝陶瓷材料独特的力学响应和破坏特性,讨论了模型中微裂纹成核参数、微裂纹尺寸对动态断裂强度的影响,并用该模型计算了单轴压缩下氧化铝陶瓷的应力应变曲线,数值结果与实验结果吻合良好.     

无网格法模拟复合型疲劳裂纹的扩展

本文提出了用无网格Galerkin法模拟构件在复合变形作用下疲劳裂纹扩展路径并预估其疲劳寿命的方法。该法能够自然模拟疲劳裂纹的扩展,不需要网格重构,避免了裂纹扩展过程中的精度受损。应用无网格数值结果计算了J积分和应力强度因子K_I和K_Ⅱ;按照最大周向应力理论获得了裂纹扩展偏斜角。基于最小应变能密度因子理论,确定了裂纹扩展量Δa,并能获得疲劳载荷的循环周数ΔN。文末对数值模拟结果和实验拟合结果进行了对照。     

混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析

该研究工作对混凝土这一多相的复合材料,通过实验和理论相结合的科学手段,建立了一套完整的描述混凝土裂缝发展的断裂理论以及分析方法。根据实验观测结果提出了双K断裂参数,可以反映混凝土裂缝发展特性。在线形渐进叠加假定基础上,给出了双K断裂参数的解析表达式。根据分布于断裂过程区上粘聚力对裂缝扩展阻力的增强作用,得到了双K断裂参数适用的解析解,并通过实验分析了各种可能因素对双K断裂参数的影响。在考虑粘聚力影响条件下,提出了裂缝扩展阻力的新KR曲线,并将双K断裂参数与之对应起来。研究工作又通过能量的观点提出了与双K断裂参数相对应的以能量释放率为参数的双G断裂参数。通过数值计算和实验分析证实了能量法和应力场法在描述混凝土断裂性能方面的等效性。     

发展基于CB壳单元的扩展有限元模拟三维任意扩展裂纹

该文提出了一种新的基于连续体壳单元的扩展有限元格式,以用于对曲面上任意形状裂纹的扩展问题进行模拟。扩充形函数的构造和应力强度因子的计算都是基于三维实体单元进行,因此可以模拟复杂的三维断裂情况,壳体厚度的变化也可以得到考虑。三维应力强度因子的计算公式被引入到这种方法中。为模拟裂纹扩展,三维最大能量释放率准则被用作裂纹扩展准则。计算结果显示了曲面上的裂纹扩展路径可以与网格无关,并且由于在裂纹尖端的单元设置了具有奇异性的形函数,裂尖应力场被精确捕捉,从而证明了这种方法的优越性。     

基于定长裂缝试件的脆性材料尺寸效应实验方法

由于脆性或准脆性材料内各类微缺陷的影响,材料的力学性能,如名义破坏应力,　刚度以及断裂韧性等随试件的大小而改变,具有明显的尺寸效应。通常情况下,描述材料尺寸效应的Ｂａｚａｎｔ尺寸效应律是建立在一系列相似试件的基础上通过实验方法确定的。　本文提出了一种新的用含固定长度裂缝试件测定断裂韧性和有效断裂过程区大小的实验方法和计算公式。与相似试件测定方法相比,实验结果吻合很好。根据本文提出的定长裂缝试件实验方法,在保证与相似试件相同脆性指数范围的前提下,可以用小试件进行测量。     

基于ABAQUS平台的扩展有限元法

以ABAQUS为平台,提出了一种预设虚节点法,首次在通用有限元程序上嵌入了扩展有限元法的功能。推导了扩展有限元法中的子域积分同Heaviside函数的关系,并改进了一种三角形子域积分算法。对三点弯梁的开裂过程进行了模拟。计算结果表明,扩展有限元法对非连续位移场的表达不依赖于单元边界,是一种模拟裂纹扩展过程等涉及移动非连续问题的有效方法。与通用有限元软件的结合则为应用该方法解决实际复杂问题提供了方便的途径。     

基于扩展有限元方法的Carsington坝失稳过程分析

Carsington 坝失稳是坝工界的经典案例,已有研究并未分析坝体下伏黄粘土夹层的主动牵引机制对其失稳的作用,且有关模拟研究基于常规有限元法,对于剪切带等不连续位移场的描述不够直观,更无法探讨剪切带形成过程及土体力学行为的演化.该文应用自主开发的基于扩展有限元方法的土中剪切带扩展过程模拟系统进行了Carsington坝的失稳分析,结果表明:该模拟系统较好地追踪了Carsington坝心墙中的剪切带路径和形成过程,揭示了Carsington 坝的失稳机理;验证了所构造的模拟系统在复杂结构和复杂受力条件下的适用性.     

求解双材料界面裂纹应力强度因子的扩展有限元法

基于双材料界面裂纹尖端的基本解,构造扩展有限元法(eXtended Finite Element Methods, XFEM)裂尖单元结点的改进函数。有限元网格剖分不遵从材料界面,考虑3种类型的结点改进函数：弱不连续改进函数、Heaviside改进函数和裂尖改进函数,建立XFEM的位移模式,给出计算双材料界面裂纹应力强度因子(Stress Intensity Factors, SIFs)的相互作用积分方法。数值结果表明：XFEM无需遵从材料界面剖分网格,该文的方法能够准确评价双材料界面裂纹尖端的SIFs。     

求解混凝土等效断裂韧度的小波基无单元方法

考虑混凝土主裂缝亚临界扩展长度及虚拟裂缝区粘聚力,利用,积分与应力强度因子的解析关系,建立基于小波基无单元方法求解混凝土等效断裂韧度的数值方法,研究不同基底小波分辨率对混凝土等效断裂韧度计算值的影响。对8个带裂缝试件的混凝土等效断裂韧度的计算结果表明:在相同小波基分辨率下,4根体积系列试件的计算值的均方差和变异系数分别小于0.0244和0.0231,4根高度系列试件的计算值的均方差和变异系数分别小于0.0384和0.0362,计算结果的一致性好;与解析解相比,8个试件的计算值的最大相对误差均在5%左右,计算结果的精度高;且不同小波基分辨率对计算结果影响不大。由此得出结论,小波基无单元方法是求解混凝土等效断裂韧度的一种可靠的高精度数值方法,可以作为混凝土断裂力学的一种有力的计算工具。     

弹塑性杆非线性断裂问题的新型增强有限元法

针对一维弹塑性材料杆件的非线性断裂,该文提出了一种新型弹塑性增强有限元。该单元采用von Mises屈服准则和线性等向硬化模型描述开裂前的材料弹塑性变形,而结合利用内聚力关系来描述随后的裂纹萌生和非线性断裂过程。引入内部节点来描述单元内由于裂纹引起的位移不连续,通过单元凝聚获得含裂纹单元的刚度矩阵,并对数值稳定性问题进行了分析。通过与基于材料力学方法推导得到的解析解的对比验证了该新型弹塑性增强有限单元法在列式上的正确性和在数值上的高效性与精确性。     

虚拟裂缝模型的接触有限元法实现

沿裂缝可能开展路径设置接触点对,将求解接触问题的有限元混合自由度法进行扩展,以实现混凝土断裂力学虚拟裂缝模型的数值模拟。把作用在结构上的力系分解为外力和接触缝面上的接触力,以结构的位移为基本未知量,而以缝面局部坐标系下的结点接触力为迭代变量,将非线性接触迭代收缩在可能接触缝面上进行,提高了计算效率。计算过程中缝面接触力和开口位移可以显式地求出,故可方便地引入各种类型的混凝土软化本构关系,实现混凝土断裂力学虚拟裂缝模型的数值模拟。首先给出了有限元混合自由度法求解接触问题的基本思路,然后引入混凝土软化本构关系,最后以数值算例说明了该文方法的正确性和有效性。     

基于扩展有限元方法的路基不均匀沉降纵向裂缝分析

纵向裂缝是北方寒冷地区道路结构的重要灾害之一,它严重的影响了路面结构的性能和功能.该文基于扩展有限元方法对于路面在发生不均匀土基沉降时纵向裂缝的扩展进行了研究,通过数值模拟对比发现,虽然重载荷导致了纵向裂缝产生,但是实际控制路面纵向裂缝产生与发展的是土基的沉降量和路面结构的边界约束.同时该文使用了一种弹性模量衰减的方式...     

摩擦接触裂纹问题的扩展有限元法

扩展有限元法(XFEM)是一种在常规有限元框架内求解强和弱不连续问题的新型数值方法。扩展有限元法分析闭合型裂纹时,必须考虑裂纹面间的接触问题。已有文献均采用迭代法求解裂纹面的接触问题。该文建立了闭合型摩擦裂纹问题的扩展有限元线性互补模型,将裂纹面非线性摩擦接触转化为一个线性互补问题求解,不需要迭代求解。算例分析说明了该方法的正确性和有效性,同时表明扩展有限元法结合线性互补法求解接触问题具有较好的前景。