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的损伤扩展模拟

材料裂缝的扩展是一个经典的不连续问题,采用常规的有限元方法难以实现裂缝扩展过程的仿真模拟。为了解决常规方法的诸多弊端,XFEM方法引入水平集函数描述裂缝形态,实现了裂缝在单元内部的萌生与发展,解决了传统方法只能依赖单元生死来模拟裂缝扩展的难题。在扩展有限元方法基本原理的基础上,以ABAQUS为平台,利用XFEM方法模拟了弹性力学经典解中的有限大平板的裂缝问题,验证了XFEM方法的有效性;同时,模拟了三点弯梁的裂缝扩展过程。结果表明:扩展有限元方法能够有效地进行开裂过程仿真,逼真地模拟出裂缝的扩展行为,不受单元边界的制约,无需单元的局部加密,有效地减少了单元数量,节约了计算成本,为解决实际复杂问题提供了方便的途径。     

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。     

基于扩展有限元法的齿根裂纹扩展规律

探讨基于扩展有限元法的齿轮裂纹扩展计算方法,开展齿根初始裂纹扩展规律研究。借助Abaqus软件,分析齿根初始裂纹长度、方向和位置对裂纹扩展路径的影响规律,并与传统有限元法所得结果进行比较。研究结果表明:对于本文模型,齿根裂纹均为先朝深入轮缘的方向扩展,后朝向齿根位置扩展,总体呈现朝轮齿周向扩展至轮齿断裂的趋势;相对初始裂纹位置,其长度和方向对裂纹扩展路径的影响较小,不同长度和不同方向的初始裂纹的扩展路径没有显著差别;随着初始裂纹位置向齿顶趋近,裂纹扩展路径也整体向齿顶偏移;本文结果与传统有限元法所得结果基本一致,但仿真效率大大提高,为齿轮疲劳裂纹扩展及疲劳寿命的高效分析和精确预测提供一种新途径。     

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的垂直于双材料界面的裂纹扩展问题

 基于扩展有限元法,提出了双材料界面上垂向裂纹应力强度因子的计算方案。导出由6 项组成的新型裂纹尖端位移增强函数,基于裂尖应力场和位移场的解析解,建立路径无关J_kε积分与应力强度因子K_ⅠK_Ⅱ的关系式,利用扩展有限元法计算J_kε积分,通过上述关系式求得应力强度因子,用最大周向应力准则确定裂纹扩展角θ_p。数值计算表明,J_kε积分与XFEM 结合可有效解决垂直于双材料界面的裂纹扩展问题;当裂纹由弹模较小材料朝着弹模较大材料扩展时,裂纹扩展角θ_p较小,而由弹模较大材料朝着弹模较小材料扩展时,θ_p较大;4 点弯曲试验结果表明,裂纹扩展角θ_p与界面两侧材料的泊松比比值v₁/v₂无关,而与弹性模量比值的对数lg（E₁/E₂）成指数关系。     

水中高压电脉冲作用下径向预制裂纹扩展规律

为研究水中高压电脉冲作用下页岩多条预制裂纹扩展轨迹和裂纹扩展长度、平均宽度、偏转角度和裂纹间等效应力分布的变化规律,综合考虑裂纹夹角、裂纹数量、水平地应力差等因素对裂纹起裂、扩展的影响。采用真三轴高压脉冲水力压裂试验平台进行实验室压裂试验和XFEM数值模拟计算。研究结果表明：(1)水中高压电脉冲作用下,预制裂纹可沿径向及轴向起裂、扩展;(2)径向双裂纹间夹角越大,缝间干扰作用越弱,裂纹扩展曲折程度越好,扩展效果越好;(3)等夹角径向三裂纹扩展,中间裂纹受应力干扰、受抑制作用最大,不等夹角径向三裂纹扩展,远离中间裂纹的右侧裂纹受干扰最小,扩展效果最好;(4)随着水平地应力差增加,裂纹间应力干扰作用增强,裂纹扩展效果逐渐减弱。     

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...     

基于扩展有限元法的粘聚裂纹模型

为了能利用通用程序模拟沿任意路径的裂纹扩展问题,利用一种预设虚节点法在通用有限元程序(ABAQUS)平台上实现扩展有限元法功能,推导了基于扩展有限元法的粘聚裂纹模型控制方程。利用上述模型对三点弯梁的开裂过程进行了模拟。计算结果与相应文献中给出的结果及ABAQUS粘聚单元法的模拟结果进行了对比,吻合良好。计算结果表明,扩展有限元法能有效地进行开裂过程的模拟,尤其是在开裂路径未知、难以预先设定网格边界作为裂纹面的情形。基于扩展有限元法的粘聚裂纹模型为准脆性材料的开裂过程模拟提供了一种有效途径。     

“井工厂”不同压裂模式下裂缝扩展规律数值模拟研究

“井工厂”压裂模式可以提高页岩储层体积改造效率和降低施工成本,明确各压裂工艺下诱导应力场的影响因素以及水力裂缝扩展规律对体积压裂缝网预测和工艺优化具有重要意义。为此,利用多孔介质流-固耦合理论和应力叠加原理,建立水平井多裂缝分时扩展力学模型,采用扩展有限元方法,在ABAQUS商业软件上进行二次开发,分析“井工厂”压裂模式下诱导应力影响因素及人工裂缝扩展规律。研究结果表明：改进拉链式压裂产生的诱导应力最大,在保证裂缝转向的同时,可维持裂缝长度和宽度;段间距的增加可有效降低逐次顺序压裂和改进拉链式压裂的诱导应力,并可调整常规拉链式压裂井间应力波动;在改进拉链式压裂模式下,增大井间距可降低后施工水平井各缝受到的缝间应力干扰,但对其他2种工艺的影响不尽相同;井筒两侧诱导应力场的差异程度决定同条裂缝半长的扩展竞争程度,诱导应力小的一侧裂缝优先扩展。     

夯土墙房屋纵横墙交接处裂缝成因及控制技术研究

以农村地区常见的夯土墙房屋为研究对象,分析了纵横墙交接处裂缝的成因,并采用数值分析方法对其进行自重和地震作用下的计算,得到了纵横墙交接处墙体的受力和变形特点,进而阐明了纵横墙交接处裂缝的产生和开展机理;提出了设置木圈梁这一裂缝控制措施,通过设置小圈梁前后的受力分析对比,验证了其有效性．     

古建筑木结构修缮加固时木材材料强度取值探讨

古建筑木结构由于木材自身的缺陷以及自然与人为的破坏,都急待修缮加固.木材材料强度的大小是制定修缮加固方案、确定更换构件与否的基础,但目前尚缺乏这方面的研究成果.考虑到古建筑木材材料性能退化,分析了古旧木材历经年限对木材强度的影响和横向裂纹对木材抗弯强度的影响,提出了古建筑木结构修缮加固时木材材料强度的取值方法,可为古建筑木结构的修缮加固提供参考.     

三点弯曲压电梁跨中裂纹尖端附近的损伤场

根据Yang等提出的压电损伤理论,采用有限元方法分析了三点弯曲压电梁跨中裂纹尖端附近的损伤场,研究了裂纹深度、外加力电载荷等因素对损伤场分布的影响规律．研究结果表明,裂纹深度、电场和力载荷均对裂纹端部附近的力电损伤场有显著影响．     

基于XFEM的重力坝裂缝扩展路径的探讨

近年来,扩展有限元法被广泛用于处理不连续问题,因该方法克服了常规有限元法在模拟裂缝扩展时需不断的网格重划分及对裂纹面与单元边界一致性的要求而导致的繁琐计算和误差等缺点.用二维扩展有限元法模拟了带水平缝混凝土重力坝在水压作用下裂缝的扩展路径.首先,讨论了裂缝扩展增量对其路径的影响,然后研究了裂缝在不同高度和初始长度下的扩展路径.结果发现扩展增量对裂缝扩展路径方向影响甚微,但对大坝的位移影响较大;裂缝的高度和长度对其扩展路径影响均不大.     

基于XFEM的主次裂纹间应力强度因子相互作用

采用新型裂尖改进函数构建的Reduced XFEM,研究次裂纹与主裂纹的相互作用,以及次裂纹对主裂纹应力强度因子的影响,并在裂纹尖端采用互作用积分法计算应力强度因子。计算结果表明:次裂纹存在会使主裂纹的应力强度因子减小;次裂纹长度越长,主裂纹应力强度因子减小得越明显;次裂纹距主裂纹的位置与主裂纹的应力强度因子之间有一定的规律,主裂纹的应力强度因子随主、次裂纹间距离的增大呈“勺”形分布,且当该距离达到一定数值后主裂纹的应力强度因子变化较小,接近单裂纹状态。     

采空区顶板蠕变损伤断裂分析

为了改进采空区顶板管理方式,必须掌握顶板断裂的滞后性.顶板断裂的滞后性是顶板岩层蠕变损伤的结果.基于Kachanov蠕变损伤理论对采空区项板的蠕变损伤过程进行了解析分析.采空区顶板的蠕变损伤断裂经历断裂孕育和裂隙扩展两个阶段.断裂孕育时间随材料的蠕变指数、上覆岩层压力的增大而减小;裂隙扩展时间也随材料的蠕变指数、上覆岩层压力的增大而减小,但随岩石的抗拉强度增大而增加.     

大变形下对称自由边分层复合材料的能量释放率研究

采用准三维模型为基础的非线性有限元,研究具有对称自由边分层损伤的复合层合板在均匀轴向应变作用下的分层断裂力学行为;