›› 2012, Vol. 33 ›› Issue (11): 3447-3453.

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水平集和无网格耦合法在裂纹扩展中的应用

马文涛1, 2,师俊平1,李 宁1   

  1. 1. 西安理工大学 土木建筑工程学院,西安 710048;2. 宁夏大学 数学计算机学院,银川 750021
  • 收稿日期:2012-04-21 出版日期:2012-11-12 发布日期:2012-11-14
  • 作者简介:马文涛,男,1977年生,博士研究生,副教授,主要从事岩石力学与工程数值仿真研究方面的工作
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 10972180,No. 61001156,No. 51269024);宁夏自然科学基金(No. NZ1030)

Coupling of level set and meshless method and its application to crack propagation

MA Wen-tao1,2,SHI Jun-ping1,LI Ning1   

  1. 1. School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. School of Mathematics & Computer Science, Ningxia University, Ningxia 750021, China
  • Received:2012-04-21 Online:2012-11-12 Published:2012-11-14

摘要: 提出了一种模拟裂纹扩展的水平集和无网格耦合方法。由于水平集和无网格方法都是建立在离散节点上,因而可以很自然地实现耦合。在该方法中,两个在裂尖处相互正交的水平集不仅用于描述裂纹的几何形态和裂尖位置,而且用于建立无网格伽辽金法(简称EFGM)不连续近似函数中的Heaviside跳跃项和裂尖处的Westergaard扩展项。当裂纹扩展时,则由水平集更新算法确定新裂纹的位置。水平集和无网格耦合法无需使用可视法、衍射法或透明法,克服了这些方法在裂尖处人为引入的不连续且能很好地再生 奇异场;而且节点影响域不受裂纹线切割的影响,在计算中往往使用较小的影响域,保持了整体刚度矩阵的带状、稀疏性;另外,水平集简化了扩展节点的选取和附加函数的建立,其更新过程无需求解演化方程,实现简单且易于编程。数值算例表明本文方法具有较高的计算精度,其模拟的裂纹扩展路径与试验结果吻合得很好,从而验证了本文方法的正确性和可行性。

关键词: 裂纹扩展, 无网格伽辽金法, 水平集法, 不连续近似

Abstract: A new method which couples the level set method with meshless method to simulate crack growth is presented. The coupling of level set and meshless method can achieve naturally because they all set up based on the discrete nodal data. Two level sets that are orthogonal to one another at the crack tip are used to represent the geometry of crack and the location of crack tip, and to construct the Heaviside skip function and the Westergaard enriched function near the crack tip in the element-free Galerkin method (EFGM) discontinuous approximation. New crack tips are defined by the update algorithm of level set easily when the crack is growing. The coupling method does not use the visibility method, the diffraction method or the transparency method. The singularity is reproduced very well; and the convergence for elastic problems is improved. The passage of crack has no influence on the nodal domain. Smaller domain is used to calculation, which keeps the band and sparsity of the over all stiffness matrix. In addition, the level set makes the selection of enriched nodes and the establishment of additional function simply; and its update process needs no evolution equations. The numerical results show that the presented method has higher computational accuracy; and the simulated expanding path of crack is coincided with the tested curve. So, the results verify the validity and accuracy of the presented method.

Key words: crack propagation, element-free Galerkin method, level set method, discontinuous approximation

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  • O 242
[1] 张国凯, 李海波, 王明洋, 李晓锋, . 基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石 裂纹扩展特征研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 63-72.
[2] 张传庆, 刘振江, 张春生, 周辉, 高阳, 侯靖, . 隐晶质玄武岩破裂演化及破坏特征试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2487-2496.
[3] 王海军, 郁舒阳, 任然, 汤雷, 李欣昀, 贾宇, . 基于3D-ILC含内裂纹孔口脆性固体断裂特性试验[J]. 岩土力学, 2019, 40(6): 2200-2212.
[4] 杨石扣, 张继勋, 任旭华, . 基于改进数值流形法的接触裂纹问题研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 2016-2021.
[5] 张 波, 李 垚, 杨学英, 朱飘扬, 朱春帝, 刘子豪, 刘文杰, 罗志恒, . 一种用于水压致裂试验的水压供给装置研制及应用[J]. 岩土力学, 2019, 40(5): 2022-2028.
[6] 丛 怡, 丛 宇, 张黎明, 贾乐鑫, 王在泉, . 大理岩加、卸荷破坏过程的三维颗粒流模拟[J]. 岩土力学, 2019, 40(3): 1179-1186.
[7] 李铮, 郭德平, 周小平, 王允腾, . 模拟岩石中裂纹扩展连接的近场动力学方法[J]. 岩土力学, 2019, 40(12): 4711-4721.
[8] 张珂, 王海军, 任然, 汤雷, 郁舒阳, 刘鑫娜, 顾浩, . 基于3D-ILC球体45º三维双内裂纹复合断裂研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(12): 4731-4739.
[9] 马鹏飞, 李树忱, 周慧颖, 赵世森. 岩石材料裂纹扩展的改进近场动力学方法模拟[J]. 岩土力学, 2019, 40(10): 4111-4119.
[10] 王桂林, 梁再勇, 张 亮, 孙 帆, . Z型裂隙对砂岩强度和破裂行为影响机制研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 389-397.
[11] 伍天华, 周 喻, 王 莉, 孙金海, 赵 欢, 孙 铮, . 单轴压缩条件下岩石孔-隙相互作用机制细观研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(S2): 463-472.
[12] 杨石扣,张继勋,任旭华,. 基于数值流形法的三维裂纹扩展研究[J]. , 2018, 39(S1): 488-494.
[13] 徐文彬,曹培旺,程世康,. 不同偏置裂纹充填体断裂特性试验[J]. , 2018, 39(5): 1643-1652.
[14] 宋义敏, 邢同振, 吕祥锋, 赵泽鑫, 邓琳琳, . 不同加载速率Ⅰ型预制裂纹花岗岩断裂特征研究[J]. 岩土力学, 2018, 39(12): 4369-4375.
[15] 郭 洋,李 清,徐文龙,钱 路,田 策. 条形药包爆破预制贯通裂纹动态断裂过程研究[J]. , 2018, 39(10): 3882-3890.
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[1] 黄建华,宋二祥. 大型锚碇基础围护工程冻结帷幕力学性态研究[J]. , 2009, 30(11): 3372 -3378 .
[2] 王朝阳,许 强,倪万魁. 原状黄土CT试验中应力-应变关系的研究[J]. , 2010, 31(2): 387 -391 .
[3] 万少石,年廷凯,蒋景彩,栾茂田. 边坡稳定强度折减有限元分析中的若干问题讨论[J]. , 2010, 31(7): 2283 -2288 .
[4] 闫 铁,李 玮,毕雪亮. 基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究[J]. , 2010, 31(8): 2625 -2629 .
[5] 刘 嘉,王 栋. 正常固结黏土中平板锚基础的吸力和抗拉力[J]. , 2009, 30(3): 735 -740 .
[6] 徐维生,柴军瑞,陈兴周,孙旭曙. 岩体裂隙网络非线性非立方渗流研究与应用[J]. , 2009, 30(S1): 53 -57 .
[7] 赵尚毅,郑颖人,李安洪,邱文平,唐晓松,徐 俊. 多排埋入式抗滑桩在武隆县政府滑坡中的应用[J]. , 2009, 30(S1): 160 -164 .
[8] 刘振平,贺怀建,朱发华. 基于钻孔数据的三维可视化快速建模技术的研究[J]. , 2009, 30(S1): 260 -266 .
[9] 赵跃堂,林家炜,石 磊. 冲击荷载作用下层裂问题研究[J]. , 2011, 32(S2): 122 -126 .
[10] 王国粹,杨 敏. 砂土中水平受荷桩非线性分析[J]. , 2011, 32(S2): 261 -267 .