求解双材料裂纹结构全域应力场的扩展边界元法

在线弹性理论中,复合材料裂纹尖端具有多重应力奇异性,常规数值方法不易求解.该文建立的扩展边界元法(XBEM)对围绕尖端区域位移函数采用自尖端径向距离r的渐近级数展开式表达,其幅值系数作为基本未知量,而尖端外部区域采用常规边界元法离散方程.两方程联立求解可获得裂纹结构完整的位移和应力场.对两相材料裂纹结构尖端的两个材料域分别采用合理的应力特征对,然后对其进行计算,通过计算结果的对比分析,表明了扩展边界元法求解两相材料裂纹结构全域应力场的准确性和有效性.

扩展边界元法研究围压下巴西圆盘应力强度因子

建立了扩展边界元法,研究围压作用下巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子的新途径。首先在切口尖端区域挖取一微小扇形域,将该扇形区域的位移和应力场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,代入弹性力学控制方程,导出关于巴西圆盘切口应力奇性指数的常微分方程组特征值问题,运用插值矩阵法一次性计算出切口各阶应力奇性指数及其相应的位移特征角函数。再将位移和应力场的组合回代到在被挖去微小扇形域后的剩余结构内建立的边界积分方程,离散后求解出组合系数,同时获得巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子。数值计算结果表明:扩展边界元法计算纯围压作用下巴西裂纹圆盘应力强度因子的结果与解析解的相对误差不超过0.548%,证明了论文方法的有效性;还表明纯围压作用下,随着切口张角的增大,巴西圆盘应力强度因子逐渐由负值向正值转化。因此,纯围压作用下,巴西裂纹圆盘和小张角巴西切口圆盘是闭合的,而大张角巴西切口圆盘是I型劈裂破坏的。

三维切口/裂纹结构的扩展边界元法分析

在线弹性理论中,三维V形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解.本文提出和建立了三维扩展边界元法(XBEM),用于分析三维线弹性V形切口/裂纹结构完整的位移和应力场.先将三维线弹性V形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构.尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离r的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得.而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量.挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析.两者方程联立求解可获得三维V形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场.扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维V形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场.作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维V形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.

扩展边界元法分析切口和裂纹结构应力场的准确性

在线弹性理论中,切口/裂纹结构尖端区域存在奇异应力场,数值方法不易求解.论文建立的扩展边界元法（XBEM）对围绕尖端区域位移函数采用自尖端径向距离r的渐近级数展开式表达,其级数项的幅值系数作为基本未知量,而外部区域采用常规边界元法离散方程.两者方程联立求解可获得切口和裂纹结构完整的位移和应力场.扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般的切口和裂纹结构应力场分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的应力场.作者研制了扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明扩展边界元法求解切口和裂纹结构应力场的准确性和有效性.

基于水平集算法的扩展比例边界有限元法研究

扩展比例边界有限元法在裂纹贯穿单元采用Heaviside阶跃函数描述裂纹面两侧的不连续位移,在裂尖则采用半解析的比例边界有限元描述奇异应力场。该方法具有无需预先知道裂尖渐进场的形式,无需采用特殊的数值积分技术直接生成裂尖刚度阵,对多种应力奇异类型可根据定义直接求解广义应力强度因子的特点。该文将扩展比例边界有限元法与水平集方法相结合,进一步发展了扩展比例边界有限元法,并将其应用于解决裂纹扩展的问题。在数值算例中,通过编写完整的MATLAB分析计算程序,求解了单边缺口的三点弯曲梁和四点剪切梁的裂纹扩展问题,计算结果显示扩展比例边界有限元法能有效地预测裂纹轨迹和荷载-位移曲线。通过参数敏感性分析,还可得出该方法具有较低的网格依赖性,且对裂纹扩展步长不敏感。

无需裂尖增强函数的扩展比例边界有限元法

扩展有限元法(XFEM)在模拟裂纹扩展时无需进行网格重构,但需预先获得裂尖解析形式的渐进解去构造复杂的增强函数,在形成单元刚度阵时常需采用特殊的数值积分技术;比例边界有限元法(SBFEM)作为一种半解析的方法可以高精度地由统一的公式直接求出广义应力强度因子而无需预先知道应力奇异的类型。将二者相结合,建立扩展比例边界有限元法(X-SBFEM),可提高算法处理复杂断裂问题的能力。该方法利用SBFEM描述裂尖的奇异应力场而在裂纹主体段仍用传统的XFEM模拟。随后,从虚功原理出发,推导了在裂纹面受荷载作用时,裂尖超单元的等效节点荷载以及位移场和应力场的求解公式。数值算例中,求解了半无限大板在裂纹面受各种分布荷载作用下的应力强度因子及矩形板的裂纹扩展问题,计算结果显示X-SBFEM是有效的。

基于X-SBFEM的非线性断裂数值模型研究

从非线性断裂力学模型的角度,开展准脆性材料(混凝土)裂纹过程区的有效模拟,是当前的研究热点之一.扩展比例边界有限元法(X-SBFEM)兼有扩展有限元法(XFEM)和比例边界有限元法(SBFEM)两种方法的优势,利用SBFEM求解裂尖段应力奇异性问题,利用XFEM模拟非裂尖段位移场不连续.为在X-SBFEM中增加非线性断裂模型,提出采用sideface力的形式,基于黏聚力模型,通过线性叠加迭代法来模拟准脆性材料(混凝土)裂纹过程区.最后,以数值算例——单边缺口的三点弯曲梁和四点剪切梁——模拟裂纹过程区能量耗散影响,验证了所提方法的精度与应用效果.