基于XFEM的X80管线钢焊接接头三维裂纹萌生扩展仿真分析

利用有限元软件ABAQUS,以X80管线钢不同坡口形式的焊接接头为研究对象,基于扩展有限元方法(XFEM),对X形和V形两种不同形式坡口的焊接接头在拉伸载荷下的裂纹扩展形态进行数值模拟分析。结果表明,裂纹尖端首先出现了应力集中,应力分布趋势与理论计算的塑性区形状大致相同。利用XFEM方法模拟裂纹尖端自由扩展,X形坡口和V形坡口的焊接接头裂纹首先出现在焊缝并靠近熔合线处,且二者的扩展路径一致,在相同条件下,X形坡口的焊接接头焊缝处最先出现裂纹,V形坡口的焊接接头焊缝处裂纹出现的时间较X形坡口出现裂纹的时间晚。

基于XFEM的煤矿巷道顶板裂隙扩展特征研究

针对巷道顶板裂隙扩展难预测的问题,采用数值模拟与试验相结合的方法,应用扩展有限元(XFEM)计算裂隙扩展路径,重点分析在外部荷载的作用下,不同裂隙深度和倾角下巷道顶板的裂隙扩展过程、裂尖应力变化以及能量耗散规律。结果表明:裂隙深度的变化对裂隙的扩展与贯通具有一定的导向作用;随着裂隙深度的增加,顶板破坏所消耗的能量会减少,裂隙的起裂时间也会发生滞后;基于XFEM的数值模拟与试验中的裂隙扩展路径基本吻合,同时验证了XFEM能够有效应用于煤矿巷道顶板的扩展模拟,从而为巷道顶板稳定性控制与预防裂隙扩展提供理论依据。

基于XFEM钢桥面板-U肋焊缝疲劳裂纹扩展规律及其影响因素分析

目的研究正交异性钢桥面板与U肋焊缝在循环荷载作用下萌生于焊趾、焊跟处的疲劳裂纹扩展规律及影响因素。方法基于扩展有限单元法(XFEM),利用ABAQUS有限元软件建立了3U肋正交异性板数值分析模型,通过引入初始裂纹长度、面板厚度、应力比三个变量参数,分析评价这些参数变化对焊趾、焊跟处的疲劳裂纹扩展规律及疲劳寿命影响程度。结果初始裂纹长度由0.5 mm增加至1.5 mm、面板厚度由14 mm增加至20 mm、应力比由0.1增加至0.8时,焊趾处裂纹疲劳寿命分别减少46.6%、提高797%、提高364%,焊跟处裂纹疲劳寿命分别减少51.2%、提高425%、提高351%。结论XFEM能准确预测面板与U肋焊缝疲劳细节的疲劳裂纹扩展路径及其疲劳寿命;初始裂纹长度越长、面板厚度和应力比越小,疲劳裂纹的扩展速率愈快、相应的疲劳寿命越小。

基于PD理论和XFEM对混凝土板裂纹扩展仿真的对比分析

混凝土材料构件在工程应用中易发生疲劳损伤,且内部结构性质复杂,易产生较小的裂纹,在一定疲劳积累后,发生裂纹的逐步无规则扩展,构件破坏造成工程损失。针对混凝土板的裂纹不连续扩展机制,基于近场动力学理论(PD)和扩展有限元法(XFEM)对混凝土板在单轴荷载下的破坏过程进行模拟,并将两种方法进行对比分析,得出结论。在PD理论中,裂纹是通过键的断裂自发形成的,已有损伤和断裂的标准,并且相比较XFEM法,PD理论不需要设置裂纹破坏的路径,且计算效率高,收敛速度快,精度高,可直接应用于不连续介质中。

基于XFEM机翼下壁板裂纹扩展分析与验证

为研究某大型飞机机翼下壁板裂纹扩展特性,首先分别使用常规有限元法和扩展有限元法对不同裂纹长度下的应力强度因子进行对比研究,然后通过扩展有限元法结合NASGRO方程,对机翼下壁板裂纹扩展进行分析并与试验结果进行对比。结果表明,相比于常规有限元法,扩展有限元法具有同样的计算精度,且裂纹界面与网格划分相互独立,具有裂纹定义简单,对裂纹尖端网格没有特殊要求等优点;基于扩展有限元法的裂纹扩展线与试验结果基本一致,表明了扩展有限元法应用于机翼下壁板裂纹扩展分析的可行性。利用扩展有限元法的裂纹扩展分析方法可以为大型飞机机翼壁板结构损伤容限设计提供参考。

基于XFEM与Cohesive模型分析PBX裂纹产生与扩展

利用扩展有限元法(XFEM)分析PBX-9502带孔板状试件在整体压缩下由局部裂纹萌生到裂纹扩展全过程的开裂破坏机理。采用应力状态相关的强度面、非关联流动法则及Cohesive模型,描述了材料在复杂应力状态下的非线性本构行为以及材料的破坏行为。进行了数值模拟结果与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)试验结果的对比。结果表明,含孔洞的平板在整体压应力环境下孔洞周围产生局部拉伸应力,这种拉伸条件导致局部裂纹萌生。数值模拟的裂纹发展趋势与试验结果相吻合,包括裂纹时程的整体走势和拐点、启裂时刻、裂纹初期扩展速度等。基于扩展有限元方法和内聚模型法,可模拟高聚物粘结炸药(PBX)含能材料的裂纹萌生、扩展。

应用XFEM模拟研究钻杆裂纹扩展过程

钻杆裂纹扩展是一个典型的不连续问题,采用常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟,而扩展有限元法(XFEM)是近年来发展起来的分析断裂问题的一种有效方法。在介绍了扩展有限元法的基本原理的基础上,建立了基于XFEM的含不同深度初始裂纹的5in钻杆在拉力和扭矩共同作用下的裂纹扩展模型。通过钻杆裂纹扩展过程的分析后发现,钻杆的初始裂纹深度小于1mm时,裂纹不易扩展,但初始裂纹深度超过2mm时裂纹会在相对较低的外载荷下扩展,且扩展面较大并与初始裂纹面存在一定夹角,最终造成钻杆断裂失效。通过对钻杆裂纹的扩展过程仿真模拟,展示了XFEM在钻具断裂失效分析方面的独特优势,并为这方面的研究提供了一种新方法。

基于XFEM的土体水力劈裂模拟

水力劈裂会对心墙堆石坝的安全造成严重的负面影响。宏观上,土体水力劈裂可看作是土体在水力楔劈作用下使局部裂缝(薄弱面)进一步发展的破坏过程。XFEM是一种可以有效描述裂缝的数值模拟方法。采用XFEM结合Biot固结理论,并对裂缝单元进行处理,从而以弥散式的裂缝状态和嵌入式的裂缝形态共同描述了土体的水力劈裂过程,并以一个模型算例和挪威Hyttejuvet坝的实际工程算例对方法进行了验证。该工作的成果有助于理解土体水力劈裂的成因和过程,可用于对土工结构物的流固耦合破坏分析。

钢桁梁焊接构造细节的疲劳性能及基于XFEM的疲劳寿命评估

通过3组共9个试件的疲劳试验,研究沪通长江大桥主桁对接杆件中过焊孔构造细节的疲劳性能,通过扩展有限元方法(XFEM)结合断裂力学方法对过焊孔构造细节裂纹扩展阶段的疲劳寿命进行预测。研究结果表明:过焊孔与翼缘板-腹板焊缝交叉处的焊趾是过焊孔构造细节疲劳性能的薄弱环节;试验测得该细节对应200万次荷载循环的疲劳强度小于欧洲规范对类似构造细节的规定,过焊孔处腹板-翼缘板的角焊缝质量对构造细节的疲劳强度有重要影响;采用XFEM结合断裂力学方法预测疲劳裂纹扩展阶段的寿命与测试结果较吻合,可以作为疲劳寿命评估的手段。

基于XFEM的砼重力坝强震破坏模式及抗震安全评价

扩展有限元法(XFEM)通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式,使对非连续位移场的表征独立于单元边界,可有效描述混凝土中裂纹扩展。采用XFEM对Koyna重力坝地震破坏过程进行分析,结果表明,大坝开裂破坏分布与Koyna大坝实际破坏情况及文献中的模型试验结果相符,验证计算模型的有效性。将其应用到国内某混凝土重力坝,得到强震作用下动力响应及破坏模式,并据此评价大坝抗震安全性及抗震超载潜能。研究表明,强震作用下,大坝首先在下游折坡出现裂缝并扩展至上游面形成贯穿性裂缝,同时在坝踵、上游坡度变化处出现开裂破坏;该重力坝在设计地震作用下,尚有1.59～1.76倍的超载裕度,其抗震安全性能满足设计要求。

改进型XFEM进展

扩展有限元法(XFEM)在诞生后的十几年时间里,引起学术界和工业界的广泛关注,并已经成为目前裂纹分析的主流数值方法。然而,在实际应用中该法一直受到两方面的困扰,(1)总体方程高度病态;刚度阵条件数随网格尺寸呈h-6变化(普通有限元为h-2)。(2)裂尖强化插值由于能量一致性问题无法直接推广应用于动力学计算。前者表现在XFEM稳态问题的迭代求解收敛慢或难以收敛,后者长期以来导致XFEM裂纹扩展动力学计算实施困难。本文认为XFEM目前遇到的种种困难,均与单位分解引入的额外自由度相关。为此,提出了无额外自由度的单位分解插值格式,基于此格式,进一步构造出改进型扩展有限元方法。改进型XFEM具有如下特点,(1)可以消除原有XFEM的线性依赖性和总体方程病态的问题。(2)避免动力学问题中额外自由度引起的质量集中、零临界时间步长问题以及裂纹扩展过程中的能量一致性问题。本文结合静动力学测试问题综述上述改进。

基于XFEM的盾构隧道管片开裂数值分析

采用扩展有限元的方法,以3环管片结构为研究对象,探讨盾构隧道管片结构在外荷载作用下的破坏机理。研究结果表明:(1)盾构隧道管片在偏压位置发生外侧混凝土压溃破坏。随着偏压范围的扩大,结构破坏的范围扩大。(2)衬砌结构背后存在空洞,容易造成管片结构部分约束缺失。随着衬砌结构空洞范围的扩大,管片的破坏形式由内侧压溃破坏结合外侧拉裂破坏转变为以外侧拉裂破坏为主。(3)开裂管片的极限承载力比完整管片的少了40%,对结构变形产生了很大的影响。

基于XFEM的加载参数对棒料V型槽尖端起裂影响规律

为了研究棒料V型槽尖端的起裂机理,利用ABAQUS软件,建立了带V型槽棒料三维有限元模型;采用扩展有限元法（XFEM）在未预制裂纹条件下对V型槽尖端起裂位置、起裂角和临界加载力的影响因素进行了分析。研究结果表明,棒料夹持位置到V型槽中心轴的距离L1、加载位置到V型槽中心轴的距离L2和棒料直径D对裂纹的起裂位置影响很小,起裂位置处于接近V型槽底角半径的1/2处;L1越大、L2和D越小,起裂角越小。根据L1、L2和D对临界加载力的影响规律,给出了起裂时临界加载力的计算公式。最后,通过下料试验对仿真结果进行了验证,获得了合适的一节棒料加载参数L1为15 mm、L2为30 mm。

基于损伤力学和XFEM的舰船蒸汽轮机叶片裂纹扩展研究

叶片作为舰船汽轮机的核心零部件,其在复杂工况下的低周疲劳寿命一直是备受关注的问题。传统的寿命预测方法大多是基于经验公式进行求解,没有考虑损伤累积对材料固有属性的影响,也没有对裂纹萌生和扩展过程进行全面的分析。文章以损伤力学的基本理论为基础,考虑叶片实际非对称循环的工作状态,引入平均应力的概念,推导叶片低周疲劳寿命的计算公式以及损伤随循环次数变化关系的表达式。同时基于有限元分析软件ABAQUS,使用XFEM方法模拟叶片裂纹扩展并进行低周疲劳寿命分析,并与所给出的理论计算结果进行对比。结果表明,所建立的基于损伤力学的低周疲劳寿命计算结果与基于扩展有限元的裂纹扩展模拟结果吻合较好,其对于舰船汽轮机叶片等工程结构的寿命预测具有一定价值。

基于XFEM的混凝土保护层锈胀裂纹分析

采用扩展有限元法(XFEM)和过盈装配的方式,建立了混凝土保护层非均匀锈胀开裂有限元模型。计算结果表明:首先在与钢筋接触的左右两侧10°~30°范围内形成包含数条微裂纹的裂纹带,对称于钢筋的中轴线背向发展,随着锈蚀程度的加深,在裂纹带形成一条斜向的主裂纹,从而导致保护层产生"楔形"破坏。通过对ABAQUS进行二次开发,提取了锈胀裂纹长度,发现裂纹长度与钢筋锈蚀率之间呈指数关系,指出裂纹发展可分为3个阶段(萌生区、扩展区和平缓区),应以裂纹进入平缓区的钢筋锈蚀率对结构进行评估,并给出了界限判据。与广惠高速公路沿线桥梁保护层剥落病害对比分析,验证了计算结果的精确性。

基于XFEM的寒潮作用下水闸开裂性状分析

水闸普遍存在着可见和不可见的裂缝,带裂缝工作是水闸的常态,当受到寒潮的影响时,已有的细微裂缝会连通、扩展,甚至贯穿整个闸墩,严重影响结构的安全性和耐久性。扩展有限元法(XFEM)通过富集非连续位移模式,使得非连续位移场的表征独立于单元边界,可有效描述混凝土中的裂纹扩展。基于XFEM并结合热力耦合,研究了水闸在不同初始温度下,遭遇不同降温幅度及历时的寒潮作用时的渐进开裂破坏过程,并与某实际工程的开裂情况进行对比,数值模拟结果与现场情况基本吻合。研究结果表明,水闸遭遇寒潮时,靠近闸墩表面的温度与外界温度变化基本一致,靠近闸墩中心的温度变化较小,闸墩内外温差随着寒潮强度的增强而增大;闸墩混凝土的内表温差和约束是导致闸墩开裂的根本原因;裂缝分布在上下游墩头与底板相交的位置,随着寒潮强度的增强,裂缝与底板的夹角、长度及深度也随之增大,对水闸结构的不利影响也越大。因此,寒潮来临时应做好安全监测及混凝土防护工作,控制闸墩的温降以防止裂缝的开展。

基于XFEM的高强桥索钢丝冷拔裂纹扩展数值模拟

基于有限元软件Abaqus,采用扩展有限元法(XFEM)分析高强桥索钢丝冷拔过程的裂纹扩展,研究裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径和裂缝宽度的影响。结果表明:冷拔过程裂纹基本符合I型扩展规律,裂纹位置、裂纹角度、裂纹长度对裂纹扩展路径无显著影响;裂纹位置越靠近中心、裂纹角度数值越小、裂纹长度越长时,裂缝宽度越大;裂纹位置越接近表面、裂纹角度数值越大、裂纹越长时,裂纹闭合越晚。此外,通过预应力冷拔机进行钢丝表面不同角度预制裂纹扩展试验,分析裂纹扩展规律并通过α-γ、α-δ曲线验证了数值模型的可靠性。

基于XFEM的折弯片断裂仿真

采用Abaqus的XFEM功能对折弯片的断裂问题进行仿真,断裂区为转角处的过渡区域.转角处圆弧的半径影响裂纹的开裂时间.裂纹的扩展路径具有任意性,细化网格下裂纹扩展方向不稳定,会超出断裂区.1阶单元和1阶减缩积分单元的分析结果比较接近.通用静态分析比动态隐式分析效率更高一些.在端部压力的作用下,折弯片约在1 ms内开裂,8 ms完全断开.Cohesive element算法的裂纹路径较LEFM方法更平滑一些.

基于XFEM-CZM耦合法的胶接接头裂纹扩展分析及强度预测

采用扩展有限元法(XFEM)和内聚力模型(CZM)相耦合的方法,分析胶接接头胶层内部裂纹扩展、界面脱粘分层现象。采用内聚力单元和内聚力接触描述胶层/板材界面,建立单/双搭接接头有限元模型。预测拉伸载荷下接头的强度性能并与已有试验数据对比分析,验证XFEM-CZM耦合法的可行性及内聚力单元和内聚力接触2种界面建模方法的有效性。模拟裂纹从胶层内部扩展至胶层/板材界面并引起界面脱粘分层的过程,分析其损伤失效机理。讨论初始裂纹长度和界面刚度、强度及应变能释放率对胶接接头强度性能的影响。结果表明:胶接接头强度随初始裂纹长度增加而降低,且在双搭接接头模型中表现更为明显;界面刚度、强度对胶接接头强度影响较大而应变能释放率的影响较小。

基于XFEM的渡槽单向地震动作用下裂纹开展分析

以排架渡槽为研究对象,建立了基于ABAQUS平台的扩展有限元法的二维橡胶支座排架渡槽线弹性计算模型。计算了不同地震波激励下渡槽结构的裂纹开裂扩展及在动态变化循环过程中渡槽结构的等效应力,对比分析了不同地震波作用下渡槽结构的裂纹开裂范围及损伤程度。研究结果表明:XFEM能够较好地模拟渡槽结构的裂纹开裂和扩展情况;连梁与排架柱节点以及排架柱底部是排架渡槽的抗震薄弱部位。