断裂问题的扩展有限元法研究

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。

裂纹扩展问题的改进XFEM算法

利用扩展有限元法计算裂尖附近应力、位移场,进而得到裂尖应力强度因子和开裂角;水平集法描述、追踪裂纹,并由单元结点水平集值判别单元类型;将二者结合起来分析处理裂纹扩展问题。针对水平集判别倾斜裂纹单元类型的不足,分析问题的原因,并给出解决方案。最后,通过典型算例分析,表明将扩展有限元法与水平集法结合分析裂纹扩展问题时具有不需网格重构,裂纹与网格相互独立的特点;同时验证了笔者提出解决方案的准确性和可行性。

基于水平集算法的扩展有限元方法研究

扩展有限元是一种以单位分解思想为基础,在常规有限元位移中加入跳跃函数和渐近位移场函数,以处理不连续问题的数值方法。将水平集算法应用到裂纹界面的描述及加强单元类型的判别,并与扩展有限元相结合,用于分析材料断裂问题。相比传统有限元,有限元网格与裂纹面位置相互独立,不需满足裂纹为单元边、裂尖为单元节点和在裂纹附近进行高密度的网格划分的要求。通过算例分析了单元积分方案,裂尖积分区域对应力强度因子计算精度的影响。