重力坝开裂过程扩展有限元数值模拟

扩展有限元法(XFEM)是一种求解不连续问题的数值方法。它继承了常规有限元法(CFEM)的所有优点,在模拟裂纹扩展、界面、复杂流体等不连续问题时特别有效,近十多年得到了快速发展。介绍了XFEM的基本原理,给出了进行混凝土裂纹扩展分析的方法。利用XFEM模拟混凝土重力坝裂纹扩展,通过对比有、无裂纹情况下的重力坝应力分布,分析裂纹存在对重力坝应力场分布的影响;分析裂纹扩展受网格疏密程度的影响;计算在不同岩基弹性模量下裂纹的扩展方向。     

基于扩展有限元法的应变硬化材料ECC的断裂破坏仿真分析

在Abaqus平台上采用扩展有限元方法(Extended Finite Element Method,XFEM),对ECC(Engineered Cementitious Composites)应变硬化材料,采用3点弯曲切口梁模拟结构的裂纹扩展情况以及缝端的应力-应变分布情况,将计算结果与试验结果进行比较,验证XFEM在模拟应变硬化材料裂缝扩展方面的有效性和准确性.结果表明,模拟结果可以为全桥、半桥应变片的粘贴位置提供更为精确的指导;XFEM法可以模拟ECC的裂缝扩展过程,并预测ECC裂缝扩展长度的大小,但XEFM未能模拟出多裂纹的扩展过程,导致仿真结果比实验结果偏小;模拟得到的起裂荷载和峰值荷载与试验结果较为接近,而峰值荷载与试验结果的误差仅为7.56%,为应变硬化材料实际带裂纹工作的工程问题提供了解决问题的方法.最后,提出利用能量的概念来评价ECC的应变硬化程度更为合理.     

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。     

蒸汽发生器安全端焊接接头应力强度因子计算

推导含初始应力场的扩展有限元(XFEM)弱形式,并应用到焊接导致的残余应力场下裂纹问题数值模拟中。采用互作用积分策略以获得更精确的计算应力强度因子(SIF)。在此基础上,分析蒸汽发生器(SG)安全端异种金属接头在焊接残余应力场下SIF随裂纹深度的变化情况。研究发现,随着焊接接头内侧裂纹的不断深入,SIF先增大、后减小,这表明材料对裂纹扩展的抗力是先增大、后减小的过程。初始应力场施加方法利用了XFEM在模拟裂纹扩展上的优势,避免了网格更新导致的重复计算。     

含裂纹复合材料的Cell-based光滑扩展有限元法

为克服有限元法(FEM)某些固有的缺陷,提高计算精度,将Cell-Based光滑有限元法(CSFEM)与扩展有限元法(XFEM)相结合,提出光滑扩展有限元法(CS-XFEM).用该方法对含中心裂纹和斜裂纹的正交各向材料板进行模拟,并与FEM,XFEM和BXFEM(bimaterial extended finite element method)计算结果进行对比.数值算例结果表明,CS-XFEM兼具CSFEM和XFEM两者优点:单元网格与裂纹面相互独立,裂尖不必是单元节点,裂尖处网格也不需要加密,域内积分可转化为边界积分,形函数不需求导,对网格质量要求低;因此是分析断裂问题的简洁高效的数值计算方法.     

基于XFEM的双裂隙岩体冻胀裂纹扩展数值模拟研究

为研究冻胀荷载对双裂隙岩体裂纹扩展及贯通机制的影响,文章基于扩展有限元法(extended finite element method,XFEM),分析冻胀力作用下不同岩桥参数双裂隙试样的裂纹扩展特征和破坏形式,探究在冻胀力和侧向卸荷共同作用下双裂隙试样的裂纹扩展贯通规律.结果 表明:基于XFEM的数值模拟结果与试验中...     

TC4钛合金激光熔覆路径选择数值模拟研究

使用数值模拟技术,建立了不含预制裂纹的TC4钛合金三维激光熔覆有限元模型,并运用扩展有限元方法(XFEM)模拟裂纹扩展.对直线单向熔覆、直线往复熔覆和对称往复熔覆3种不同熔覆路径下,TC4钛合金激光熔覆温度场、应力场以及裂纹扩展过程进行了模拟.研究结果表明:采用对称往复的熔覆路径,熔覆过程温度场分布较为均匀,最大峰值温...     

混凝土数值研究中裂缝模拟的新方法

混凝土是土木工程中重要的材料,其破坏过程是微裂纹萌生、扩展、贯通的过程。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。本文介绍了扩展有限元法的基本原理,给出了扩展有限元进行混凝土开裂及裂纹扩展的分析方法,并采用扩展有限元法模拟了混凝土试件开裂扩展过程及破坏形态,数值模拟结果与实验现象相符。研究结果表明:扩展有限元法能有效地模拟混凝土材料断裂破坏过程。     

纳入裂尖位置实时预测的天然气管道裂纹扩展模拟方法

数值模拟是协助全尺寸管道爆破试验系统研究天然气管道断裂行为的有效手段。针对传统数值模拟方法无法随裂纹扩展实时调整裂尖前后管道内压分布导致断裂过程模拟不准确的问题,在归纳全尺寸管道爆破试验数据的基础上,提出管道裂纹动态扩展过程中裂尖位置随加载时间分阶段近线性变化的基本假设,结合气体减压模型构建纳入裂尖位置实时预测的迭代加载法。在基于管道全尺寸气体爆破试验结果探究该加载方法有效性的基础上,讨论迭代次数及气体减压模型类型对模拟结果的影响,形成纳入裂尖位置实时预测的天然气管道裂纹扩展模拟方法。结果表明,该模拟方法可有效实现加载边界随裂纹扩展的实时更新,近似实现气体减压、管道变形与裂纹扩展的多场耦合,模拟所得断裂参量、管道变形与试验结果一致性较好。     

基于XFEM的岩体卸荷过程裂纹起裂扩展规律研究

地下和边坡工程开挖常涉及岩体卸荷问题,采用ABAQUS软件中的扩展有限单元法(extended finite element method,XFEM)对开挖卸荷过程岩体内部裂纹的起裂扩展进行了模拟,通过计算裂纹尖端应力强度因子研究了其起裂特征,并探讨了起裂影响因素,通过记录裂纹扩展形态研究了其动态演化模式.结果表明,卸荷过程中卸荷速率越快,裂纹长度越长,倾角越大,其起裂越容易;并且裂纹面受到的正应力不断减小,剪应力不断增大,裂纹扩展主要由剪应力控制,这与理论分析结果一致.裂纹最终扩展演化形态也与物理试验相近,充分表明运用扩展有限单元法研究岩体裂纹问题的可靠性.     

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.     

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题. 对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述. 推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响. 研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.      

交叉型裂纹扩展模拟的一种有效方法

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM).阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实现中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序.通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程.算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算交叉裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度.     

汽轮机低压转子用钢的组织结构分析及低频疲劳裂纹扩展特性研究

30Cr2Ni4MoV 钢是一种汽轮机低压转子用钢.在工作过程中,因汽轮机反复停机,低压转子内的裂纹将会发生缓慢扩展,因此有必要对疲劳裂纹的低频扩展特性进行研究.通过对试验钢的组织结构分析及低频疲劳试验,得出了如下结果:(1)正常热处理状态下,钢的组织是回火马氏体,第二相碳化物都是渗碳体,无高钼碳化物存在;(2)在本试验条件下,低频疲劳裂纹的扩展特性与频率升高至 f=15时的疲劳试验结果并无区别;(3)随着ΔK 增大,疲劳条纹间距变大.二次裂纹的方向和最大切应力方向有关,而二次裂纹的间膈和钢的组织有关.     

基于XFEM技术的古建木梁裂纹扩展仿真

古建木梁在外力作用下很容易产生水平裂纹.为保护古建筑,采用XFEM数值模拟方法,研究了水平荷载作用下古建木梁的裂纹扩展特性.基于木材材料特性,仅考虑木梁沿水平向产生裂纹,建立了含裂纹木梁的简化有限元模型.在顶部施加了水平位移荷载,研究了裂纹扩展过程中木梁应力、变形及裂缝的变化特征,讨论了不同因素对裂纹扩展特性的影响.结果表明:随着荷载步增大,木梁变形峰值增大,但表现不明显;木梁主应力峰值明显增大,且发生在裂尖附近;增大外荷载时,木梁应力峰值增大明显,其裂纹容易产生扩展;增大裂纹初始长度时,木梁受力性能变化不大.此外,采用有限元法中的XFEM技术可提高古建木梁裂纹扩展研究的效率,并进一步深入分析结构裂纹扩展失效机制,从而为古建筑保护提供有效参考.     

基于扩展有限元分析技术的古建木梁裂纹扩展仿真(英文)

古建木梁在外力作用下很容易产生水平裂纹。为保护古建筑,采用XFEM数值模拟方法,研究了水平荷载作用下古建木梁的裂纹扩展特性。基于木材材料特性,仅考虑木梁沿水平向产生裂纹,建立了含裂纹木梁的简化有限元模型。在顶部施加了水平位移荷载,研究了裂纹扩展过程中木梁应力、变形及裂缝的变化特征,讨论了不同因素对裂纹扩展特性的影响。结果表明:随着荷载步增大,木梁变形峰值增大,但表现不明显;木梁主应力峰值明显增大,且发生在裂尖附近;增大外荷载时,木梁应力峰值增大明显,其裂纹容易产生扩展;增大裂纹初始长度时,木梁受力性能变化不大。此外,采用有限元法中的XFEM技术可提高古建木梁裂纹扩展研究的效率,并进一步深入分析结构裂纹扩展失效机制,从而为古建筑保护提供有效参考。     

基于XFEM的切槽炮孔定向断裂爆破数值模拟

 应用ABAQUS 扩展有限元（XFEM）模拟了切槽炮孔定向断裂爆破时爆生裂纹沿切槽方向和非切槽方向的起裂、扩展和止裂。结果表明：切槽方向爆生裂纹的起裂时间比非切槽方向早10 μs;裂纹扩展速度较非切槽方向具有明显的阶段性,可分为加速扩展、失稳扩展和减速扩展3 个阶段;裂纹的止裂时间比非切槽方向晚60 μs。在裂纹扩展阶段,切槽方向在失稳扩展阶段爆生裂纹的平均速度为1343 m/s,非切槽方向爆生裂纹的平均速度为600 m/s,仅为切槽方向爆生裂纹平均速度的44%,说明切槽有利于爆炸能量释放,增加爆生裂纹的扩展速度。切槽方向和非切槽方向爆生裂纹扩展的平均距离分别为124 mm 和45 mm,说明切槽对爆生裂纹的扩展有明显的导向作用。XFEM 能够正确模拟切槽爆破爆生裂纹的扩展,具有广阔的应用前景。     

基于扩展有限元法的水力压裂大物模实验的数值模拟

该文在页岩水力压裂实验的基础上,采用扩展有限元方法(XFEM),发展了ABAQUS软件的显式用户单元子程序,实现了页岩水力压裂过程的初步数值模拟。通过在常规3维实体8节点单元中引入扩充自由度,实现在单元内引入不连续位移场,模拟了水力压裂的裂纹,且无需在裂纹扩展过程中重画网格。采用有限差分法(FDM)离散流体的连续方程,实现对裂缝内流体流动的模拟。对一般扩展有限元方法进行改进,引入虚拟节点,在显式方法中可以简化处理单元内的裂纹,同时在扩充8节点六面体单元中使用一点积分和沙漏控制,大大提高了计算效率。数值模拟结果与实验吻合得较好。     

高强韧低碳中锰钢的弯曲疲劳性能

利用GPS-100高频疲劳试验机,研究了高强韧低碳中锰钢的三点弯曲疲劳性能,绘制出S-N曲线并分析了疲劳断口特征,探讨了相变诱导塑性(TRIP)效应对试验钢疲劳性能的影响机理.结果表明:试验钢的条件疲劳极限为1006MPa,疲劳比为1.20;试验钢的疲劳裂纹源萌生于试样下表面靠近棱角的位置,疲劳裂纹扩展区存在大量的二次裂纹可有效降低主裂纹的扩展速率,提高试验钢的疲劳强度;瞬断区包含等轴韧窝和拉长的韧窝,是典型的韧性断裂.疲劳裂纹前沿微小塑性变形区内的残余奥氏体发生TRIP效应,吸收大量应变能,钝化裂纹,减缓裂纹的扩展速率,是试验钢疲劳性能优异的主要原因.     

14MnSiNbRE压力容器钢HAZ的低温韧性

对一种新的-40—-50℃下使用的低温乙烯球罐用钢14MnSiNbRE的手工电弧焊和热模拟试样,采用电算示波冲击试验,测定了HAZ在不同温度下的临界裂纹张开位移COD和-40℃时的扩展阻力曲线,将冲击功分解成裂纹萌生功和裂纹扩展功,用回归分析法推断出断裂韧性COD和冲击功中的裂纹扩展功部分在物理意义上有良好的相关性,并初步探讨了焊接与热模拟对钢韧性的不同影响。