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模拟三维裂纹问题的扩展有限元法 总被引：4，自引：1，他引：3
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。 相似文献
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断裂问题的扩展有限元法研究 总被引：3，自引：0，他引：3
扩展有限元（extended finite element method,XFEM）是近年来发展起来的、在常规有限元框架内求解不连续问题的有效数值计算方法,其基于单位分解的思想,在常规有限元位移模式中加入能够反映裂纹面不连续性的跳跃函数及裂尖渐进位移场函数,避免了采用常规有限元计算断裂问题时需要对裂纹尖端重新加密网格造成的不便。在推导扩展有限元算法的基础上,分析了应力强度因子的J积分计算方法及积分区域的选取。采用XFEM对I型裂纹进行了计算,有限元网格独立于裂纹面,无需在裂纹尖端加密网格;分析了积分区域、网格密度对应力强度因子计算精度的影响,指出了计算应力强度因子的合适参数,验证了此方法的可靠性和准确性。 相似文献
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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。 相似文献
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针对线弹性断裂力学问题,提出扩展径向点插值无网格法（X-RPIM）。该方法基于单位分解思想,在传统径向点插值无网格法的位移模式中加入扩展项来描述裂纹两侧的不连续位移场和裂尖奇异场。由于其形函数具有Kronecker ? 函数性质,易于施加本质边界条件。详细描述了X-RPIM不连续位移模式的建立,支配方程的离散形式以及J积分计算混合模式裂纹的应力强度因子的实现过程,讨论了不同积分区域对应力强度因子的影响。数值算例分析证明了该方法在求解断裂问题时的可行性和有效性,同时说明扩展径向点插值无网格法在模拟裂纹扩展问题时具有良好的前景。 相似文献
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《岩土力学》2017,(11):3095-3105
关于动态断裂的全过程,包括动态起裂、扩展和止裂的报道在科学文献中受到日益增长的关注。研究岩石的动态扩展和动态止裂,用分离式霍普金森压杆径向冲击大直径(φ160 mm)的预裂人字形切槽巴西圆盘(pre-cracked chevron notched Brazilian disc——P-CCNBD)试样的试验,测定了大理岩的I型动态扩展韧度,而不仅是动态起裂韧度。确定的方法是试验―数值―解析法,而不是通常的准静态法,因为,大尺寸试样在动态试验中不满足应力平衡条件。裂尖起裂时刻和裂纹扩展速度采用应变片和裂纹扩展计监测;将有关试验数据,包括霍普金森压杆施加在试样上的的动态荷载输入有限元程序,对P-CCNBD进行三维动态数值模拟,再结合普适函数的半解析修正,得到动态应力强度因子的时间历程。结果表明,P-CCNBD大理岩试样的动态起裂韧度随加载率的增大而增大,试样的动态扩展韧度略低于动态起裂韧度,且扩展韧度随裂纹扩展速度的加快而增大。此外,对裂纹扩展速度振荡和扩展路径曲折现象进行了分析,讨论了P-CCNBD试样实现动态止裂的可能性。 相似文献
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正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究 总被引：1，自引：0，他引：1
石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。 相似文献
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《岩土力学》2017,(12):3462-3468
针对岩石、混凝土类准脆性材料的断裂过程模拟,发展了基于黏聚裂纹模型的虚节点扩展有限元法,并给出了该法的数值原理和控制方程。通过三点弯曲梁拉伸断裂、单边缺口试件Ⅰ-Ⅱ复合型断裂和Nooru-Mohammed试验多裂纹断裂等典型算例,并与已有解或试验结果对比,表明该法适合于模拟准脆性材料由张开型裂纹支配的断裂过程。相对于节点分离有限元法,该法无需预设开裂路径;相对于塑性损伤有限元法,该法能够可靠模拟多裂纹曲线扩展;相对于标准扩展有限元法,该法无需引入裂尖单元,避免了应力强度因子的计算;相对于高阶富集扩展有限元法,该法具有良好的适用性,便于得到收敛的计算结果。此外,基于单元的位移场描述使其更易于嵌入常用有限元软件,从而利用后者良好的非线性计算功能求解复杂问题。 相似文献
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针对岩石类材料压剪破坏,国内外学者做了大量真实岩石和模型材料的试验,并进行相应的数值模拟工作。但由于试验结果往往具有很强的离散性,且对影响试验结果的各因素缺乏系统地理论分析,加之传统常规有限元在处理裂纹这类强不连续问题时存在很大的困难,如在裂尖附近的高应力区需要剖分令人难以接受的密度的网格,同时在模拟裂纹生长时还需要对网格进行重新剖分,操作繁琐复杂,效率极低,因此,针对压剪复合断裂翼裂纹扩展规律的研究始终没有取得令人满意的成果。对原生裂纹的几何形态,主裂纹面与其间填充物的相互作用对翼裂纹起裂角的影响做了系统的理论分析,并利用扩展有限元对翼型裂纹扩展全过程进行数值模拟,与理论分析结果对比,吻合良好。相关成果为以后针对压剪复合断裂的研究提供了理论分析框架,同时对今后相关试验的开展具有理论指导作用 相似文献
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基于数值流形法（NMM）进行三维裂纹扩展分析研究,编写了相应的C++程序。充分发挥数值流形法在非连续变形分析领域的优势,不需要扩展有限元中的水平集和阶跃函数概念,应用数值流形法计算结果分析裂纹尖端线的破坏状况,对已有的非局部求迹法和三角形推进法进行简化和扩展,提出一种简化算法确定最终的新裂纹扩展面。应用简化算法对水平钱币型裂纹扩展问题进行数值模拟和对比分析研究。计算结果表明,基于数值流形法的三维裂纹扩展算法是可行的,采用简化处理之后,克服原有算法的不足,大大减少了新裂纹尖端线和新裂纹面的数目,降低了计算网格对新裂纹面的影响,提高了计算效率和扩大了应用范围。 相似文献
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岩石裂纹的扩展是一个经典的不连续问题,常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟。扩展有限元法(XFEM)实现了计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。本文介绍了XFEM基本原理和岩石断裂力学常用判据,尝试对岩石类材料单缝Ⅰ型三点弯曲、单缝剪切和双缝平板实验进行模拟。分析结果表明:扩展有限元模拟岩石类材料断裂问题不受网格划分限制,裂纹以实际应力场分布随机扩展;直观地给出岩样的微裂纹产生、演化,直至完全破坏的全过程,并与实验结果吻合。该方法能够应用到岩石断裂力学方面的研究,模拟岩石类材料的宏细观破坏过程,为解决复杂问题提供了方便的途径。 相似文献
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在处理含有裂隙这类不连续问题时,常规有限元方法需要对裂隙尖端部位进行局部网格加密,当裂隙扩展时还需要进行网络重构。基于单位分解思想的扩展有限元成功解决了常规有限元难以处理的裂隙类不连续问题。在研究复合裂隙时,通常需要考虑裂隙的接触问题。基于互补理论,建立了裂隙面上相对位移和接触力的互补方程,并采用牛顿法求解,无需开闭迭代,且能够快速收敛。最后,对含裂隙平板进行受压数值试验,计算结果表明,基于互补理论的扩展有限元接触算法能够有效地阻止裂隙两端网格的相互嵌入,且获得裂隙面上的应力分布与实际一致。 相似文献
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危岩是三峡库区典型的地质灾害类型之一,而主控结构面受荷断裂扩展是危岩发育成灾的关键核心。将危岩主控结构面类比为宏观裂纹,利用扩展有限元法在模拟裂纹扩展方面的优势,基于考虑裂纹面水压力作用的虚功原理推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的控制方程,给出了危岩主控结构面水力劈裂问题的扩展有限元实现方法,对重庆万州太白岩危岩主控结构面的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明：暴雨是威胁危岩稳定性的最敏感因素,随着裂隙水压力上升,裂端拉应力会急剧升高,危岩的稳定性降低;I型裂纹扩展是危岩主要的结构面扩展形式,结构面一旦发生开裂,将处于非稳定扩展状态。 相似文献
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This paper presents a fracture mapping (FM) approach combined with the extended finite element method (XFEM) to simulate coupled deformation and fluid flow in fractured porous media. Specifically, the method accurately represents the impact of discrete fractures on flow and deformation, although the individual fractures are not part of the finite element mesh. A key feature of FM‐XFEM is its ability to model discontinuities in the domain independently of the computational mesh. The proposed FM approach is a continuum‐based approach that is used to model the flow interaction between the porous matrix and existing fractures via a transfer function. Fracture geometry is defined using the level set method. Therefore, in contrast to the discrete fracture flow model, the fracture representation is not meshed along with the computational domain. Consequently, the method is able to determine the influence of fractures on fluid flow within a fractured domain without the complexity of meshing the fractures within the domain. The XFEM component of the scheme addresses the discontinuous displacement field within elements that are intersected by existing fractures. In XFEM, enrichment functions are added to the standard finite element approximation to adequately resolve discontinuous fields within the simulation domain. Numerical tests illustrate the ability of the method to adequately describe the displacement and fluid pressure fields within a fractured domain at significantly less computational expense than explicitly resolving the fracture within the finite element mesh. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd. 相似文献
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This paper describes a particular formulation of the extended finite element method (XFEM) specifically conceived for application to existing discontinuities of fixed location, for instance, in geological media. The formulation is based on two nonstandard assumptions: (1) the use of sub-interpolation functions for each subdomain and (2) the use of fictitious displacement variables on the nodes across the discontinuity (instead of the more traditional jump variables). Thanks to the first of those assumptions, the proposed XFEM formulation may be shown to be equivalent to the standard finite element method with zero-thickness interface elements for the discontinuities (FEM+z). The said equivalence is theoretically proven for the case of quadrangular elements cut in two quadrangles by the discontinuity, and only approximate for other types of intersections of quadrangular or triangular elements, in which the XFEM formulation corresponds to a kinematically restricted version of the corresponding interface plus continuum scheme. The proposed XFEM formulation with sub-interpolation, also helps improving spurious oscillations of the results obtained with natural interpolation functions when the discontinuity runs skew to the mesh. A possible explanation for these oscillations is provided, which also explains the improvement observed with sub-interpolation. The paper also discusses the oscillations observed in the numerical results when some nodes are too close to the discontinuity and proposes the remedy of moving those nodes onto the discontinuity itself. All the aspects discussed are illustrated with some examples of application, the results of which are compared with closed-form analytical solutions or to existing XFEM results from the literature. 相似文献
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A new criterion to predict crack propagation trajectory in anisotropic rocks with incorporating the concept of T-stress in formulating stress field near the crack tip was developed. The developed criterion along with enrichment functions and interaction integral in the extended finite element method (XFEM) framework made a sophisticated tool in modeling fracturing process in anisotropic media. Numerical results indicated that stress intensity factors considerably depend on orientation of anisotropy axes and ratio of the elastic modulus. The proposed formulation for anisotropic media provides a more accurate prediction of crack propagation trajectory compared with conventional methods, especially in mixed mode conditions. 相似文献
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岩体中普遍存在着断层﹑节理和裂隙等结构面,这些结构面的存在和发展对岩体的整体强度﹑变形及稳定性有极大的影响。因此,研究岩体中原生结构面的萌生﹑发展以及贯通演化过程对评估岩体工程安全性和可靠性具有非常重要的理论与现实意义。扩展有限元法（XFEM）作为一种求解不连续问题的有效数值方法,模拟裂隙时独立于网格,因此,在模拟岩体裂隙扩展﹑水力劈裂等方面具有独特优势。针对扩展有限元法的基本理论及其在岩体裂隙扩展模拟中的应用展开了研究,建立了扩展有限元法求解岩体裂隙摩擦接触、岩体裂隙破坏等问题的数值模型,并将计算模型应用于岩质边坡稳定性分析和重力坝坝基断裂破坏等工程问题。 相似文献