›› 2010, Vol. 31 ›› Issue (10): 3280-3285.

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

模拟三维裂纹问题的扩展有限元法

余天堂   

  1. 河海大学 力学与材料学院工程力学系,南京 210098
  • 收稿日期:2009-04-07 出版日期:2010-10-10 发布日期:2010-10-14
  • 作者简介:余天堂,男,1971年生,博士,教授,主要从事工程力学方面的研究。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金项目(No. 50609004,50539030);973计划(No. 2007CB714104)。

Extended finite element method for modeling three-dimensional crack problems

YU Tian-tang   

  1. Department of Engineering Mechanics, College of Mechanics and Materials, Hohai University, Nanjing 210098, China
  • Received:2009-04-07 Online:2010-10-10 Published:2010-10-14

摘要:

扩展有限元法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,其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动不连续面时无需对网格进行重新剖分。给出了模拟三维裂纹问题的扩展有限元法。在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性。用两个水平集函数表示裂纹。采用线性互补法求解裂纹面非线性接触条件,不需要迭代,提高了计算效率。采用两点位移外推法计算裂纹前缘应力强度因子。给出了3个三维弹性静力问题算例,其结果显示了所提方法能获得高精度的应力强度因子,并能有效地处理裂纹面间的接触问题,同时表明扩展有限元结合线性互补法求解不连续问题具有较好的前景。

关键词: 扩展有限单元法, 三维裂纹, 接触条件, 线性互补法, 位移外推法, 应力强度因子

Abstract:

The extended finite element method (XFEM) is a new numerical method for modeling strong as well as weak discontinuities within a standard finite element framework. The computation mesh in XFEM is independent of the discontinuities, such that re-meshing for moving discontinuities can be overcome. An extended finite element method for modeling three-dimensional crack problems is described. In order to model the crack discontinuity, a Heaviside step function and the two-dimensional asymptotic crack-tip displacement fields are added to the finite element approximation for the local enrichment by using the framework of partition of unity. The crack is described with two level set functions. The nonlinear contact conditions between the crack faces are resolved with the linear complementary method; the iterative procedure is avoided. Stress intensity factors of crack front are obtained with two-point displacement extrapolation method. Three examples for three-dimensional elastostatic problems are given; the results show that the method can obtain high accurate stress intensity factors and effectively treat the contact problem between crack surfaces, and the combination of the XFEM and linear complementary method has wonderful practical merits for solving discontinuous problems.

Key words: extended finite element method, three-dimensional cracks, contact conditions, linear complementary method, displacement extrapolation method, stress intensity factors

中图分类号: 

  • TU 443
[1] 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.
[2] 王登科, 孙刘涛, 魏建平, . 温度冲击下煤的微观结构变化与断裂机制[J]. 岩土力学, 2019, 40(2): 529-538.
[3] 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.
[4] 杨石扣,任旭华,张继勋,. 基于数值流形法的重力坝水力劈裂研究[J]. , 2018, 39(8): 3055-3060.
[5] 李 清,于 强,徐文龙,万明华,张 正,吕 陈,王汉军,. 应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子试验研究[J]. , 2018, 39(4): 1211-1218.
[6] 罗先启,郑安兴,. 岩体裂隙模拟的扩展有限元法应用研究[J]. , 2018, 39(2): 728-734.
[7] 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.
[8] 杨石扣,任旭华,张继勋,. 改进的数值流形法在水力劈裂中的应用[J]. , 2018, 39(10): 3875-3881.
[9] 杨仁树,苏 洪,龚 悦,陈 程,. 爆炸荷载下不对称Y型裂纹扩展规律的试验研究[J]. , 2017, 38(8): 2175-2181.
[10] 李念斌,董世明,华 文. 裂纹面接触对中心裂纹圆盘应力强度因子影响分析[J]. , 2017, 38(8): 2395-2401.
[11] 刘红岩,李俊峰. 非贯通节理岩体损伤变量计算方法研究[J]. , 2016, 37(S1): 95-100.
[12] 刘红岩,邢闯锋,张力民, . 双轴应力下非贯通节理岩体压缩损伤本构模型[J]. , 2016, 37(9): 2610-2616.
[13] 杨仁树,许 鹏,岳中文,陈 程, . 圆孔缺陷与I型运动裂纹相互作用的试验研究[J]. , 2016, 37(6): 1597-1602.
[14] 孙熙震,李杨杨,江 宁,沈宝堂. 类岩石材料三维裂纹传播规律试验研究[J]. , 2016, 37(4): 965-972.
[15] 王 平 ,冯 涛 ,朱永建 ,余伟健 , . 加锚预制裂隙类岩体锚固机制试验研究及其数值模拟[J]. , 2016, 37(3): 793-801.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 王 刚,李术才,王明斌. 渗透压力作用下加锚裂隙岩体围岩稳定性研究[J]. , 2009, 30(9): 2843 -2849 .
[2] 刘玉成,曹树刚,刘延保. 可描述地表沉陷动态过程的时间函数模型探讨[J]. , 2010, 31(3): 925 -931 .
[3] 刘恩龙. 岩土破损力学:结构块破损机制与二元介质模型[J]. , 2010, 31(S1): 13 -22 .
[4] 介玉新,杨光华. 基于广义位势理论的弹塑性模型的修正方法[J]. , 2010, 31(S2): 38 -42 .
[5] 杨建民,郑 刚. 基坑降水中渗流破坏归类及抗突涌验算公式评价[J]. , 2009, 30(1): 261 -264 .
[6] 周 华,王国进,傅少君,邹丽春,陈胜宏. 小湾拱坝坝基开挖卸荷松弛效应的有限元分析[J]. , 2009, 30(4): 1175 -1180 .
[7] 叶 飞,朱合华,何 川. 盾构隧道壁后注浆扩散模式及对管片的压力分析[J]. , 2009, 30(5): 1307 -1312 .
[8] 罗 强 ,王忠涛 ,栾茂田 ,杨蕴明 ,陈培震. 非共轴本构模型在地基承载力数值计算中若干影响因素的探讨[J]. , 2011, 32(S1): 732 -0737 .
[9] 王云岗 ,章 光 ,胡 琦. 斜桩基础受力特性研究[J]. , 2011, 32(7): 2184 -2190 .
[10] 龚维明,黄 挺,戴国亮. 海上风电机高桩基础关键参数试验研究[J]. , 2011, 32(S2): 115 -121 .