扩展有限元法

摘要： 目前关于麻坑研究无法准确预测现场麻坑的位置及尺寸,且忽略了斜坡海床中原生主应力偏转对于水气运移路径的影响。为了模拟研究麻坑的形成过程,首先,利用扩展有限元和Cohesive黏聚力单元相结合的方法,建立二维平面应变的水力压裂模型,开展应力-渗流耦合分析;然后,分析了静止土压力系数和海床坡角对于水气突涌的起裂压力以及扩展路径的影响;最后,建立麻坑半径与静止土压力系数以及海床坡角的三维关系图,综合评价了原生主应力偏转对于麻坑半径的影响。研究结果表明:静止土压力系数和海床坡角越大,水气突涌的起裂压力越大,且扩展路径更趋近于水平方向,进而导致水气突涌形成的麻坑半径越大;当坡角等于0°,静止土压力系数从0.5增加到0.8时,麻坑半径从70 m增加到100 m,起裂压力从510 k Pa增加到740 k Pa;而当静止土压力系数等于0.5,坡角从0°增加到10°时,麻坑半径从70 m增加到80 m,起裂压力从510 kPa增加到620 kPa。本文提出的应力-渗流耦合分析方法能够考虑地层原生主应力影响,模拟出水气突涌过程中的运移路径以及应力场、孔隙压力场变化,实现水气突涌运移规律分析和麻坑半径定量评价。

摘要： 叶片是轴流式压缩机等透平机械的主要转动部件,在交变荷载作用下易发生疲劳断裂破坏。合理分析叶片裂纹的应力强度因子,对评估其断裂力学特性具有实际意义和应用价值。本文基于平板应力强度因子理论解,采用扩展有限元法计算含单边贯穿型裂纹的轴流叶片的I型应力强度因子,对轴流叶片的裂纹形状因子进行了修正。考虑了裂纹位置和板厚对轴流叶片应力强度因子的影响,采用多项式拟合,提出叶片应力强度因子的半解析解公式。通过与实际轴流叶片仿真分析结果对比,进一步修正半解析解公式,提出用于快速评估含单边裂纹的压缩机叶片断裂力学特性的半解析解。本文提出的计算方法有效提升了实际轴流叶片应力强度因子的分析精度和效率。

摘要： 基于粘结滑移理论对钢筋混凝土简支梁开裂过程进行数值模拟,以扩展有限元法为基础,采用非线性弹簧模型模拟钢筋和混凝土之间的粘结滑移作用,在不预设裂缝情况下模拟裂缝扩展的随机性和延伸路径,从而得到考虑粘结滑移作用时荷载对裂缝分布、裂缝宽度以及跨中挠度的影响。结果表明:考虑粘结滑移作用较不考虑粘结滑移作用的数值分析所得混凝土梁的刚度较低,在同级荷载作用下跨中挠度和裂缝宽度均有所增加,但与试验值吻合度更高。

摘要： 为了准确快速获取含缺陷结构材料裂纹前缘的SIF,本文基于扩展有限元法,分别从收敛性、计算精度以及网格尺寸对计算结果的影响角度出发,通过标准CT试样获取三维裂纹前缘SIF,并与传统的围道积分法和公式解析解的计算结果对比分析,得出基于扩展有限元法所获取的三维裂纹前缘SIF变化规律。结果表明:随着网格尺寸的增加,扩展有限元法可以保证足够的收敛性与稳定性;沿厚度方向SIF大小呈逐渐递增再递减对称分布,表明含缺陷结构中的裂纹总是从内部中间开裂;扩展有限元法对网格的依赖程度低,在网格数量与类型选取适当的前提下,使用扩展有限元法得到的SIF计算值与理论值吻合度较高。

摘要： 岩体内部赋存的裂隙很多表现为折线型,为探究这类岩体的断裂机制,制备含折线型裂隙砂岩试件并对其进行单轴压缩试验。采用数字图像相关(DIC)方法计算加载过程中的变形场演化,根据新生裂纹两侧的位移差异识别裂纹类型;运用扩展有限元法(XFEM)模拟断裂过程,根据应力分布特征解释翼型裂纹起裂与扩展机制。DIC计算结果表明,新生裂纹处出现应变局部化带,裂纹两侧发生相对分离;含直线型和折线型裂隙砂岩试件的翼型裂纹分别萌生于预制裂隙端部以及折角处,这是因为裂隙几何形态会改变拉应力集中位置;含折线型裂隙砂岩试件的起裂应力小于含直线型裂隙砂岩试件,这是因为相同加载条件下前者的最大拉应力值更大;这2类试件的裂纹扩展均是由于裂纹尖端集中的拉应力引起的,裂纹依然呈张开状态;裂隙几何形态未改变试件的最终破坏模式,均表现为对角剪切破坏。

摘要： 基于扩展有限元法(Extended finite element method)研究混凝土重力坝的裂纹扩展过程,首先通过对带裂纹的简支梁进行数值模拟验证了XFEM的可行性和准确性。以Koyna坝为例,计算了不同水压力分布下3种不同长度、不同位置初始裂纹的裂纹扩展过程。计算结果表明,初始裂纹在坝颈处时水压力分布对裂纹扩展路径的影响不大。均布水压力对坝踵处的裂纹扩展路径影响较大。在坝踵处的裂纹内水压力相同时,裂纹的初始开裂角度随着初始裂纹长度的增加而增大。

摘要： 碳酸盐岩储层包含大量的天然裂缝和孔洞,由于孔洞周围存在应力集中效应,缝洞型储层水力裂缝的扩展机制与常规储层具有显著区别。利用扩展有限元方法建立了数值模型,研究了缝洞型储层水力裂缝的扩展行为及其与孔洞之间的交互作用机制。仿真结果表明:孔洞的存在会造成水力裂缝发生偏转,较高的侧压力系数(不同方向地应力的比值)可增强天然孔洞的影响,从而增大水力裂缝的偏转程度;较低的地应力水平或较小的地应力差可减小这种影响,有助于水力裂缝朝着孔洞扩展;提高流体黏度或压裂液泵注排量也能够减弱孔洞对水力裂缝的影响;连接到孔洞的摩擦型天然裂缝会显著改变孔洞周围的应力分布,从而使水力裂缝发生显著偏离;研究还发现,与没有孔洞的情况相比,存在于两个相邻压裂段之间的孔洞会对应力场产生较大影响,从而形成不规则的扩展路径。研究成果可为缝洞型碳酸盐岩储层水力压裂方案设计提供理论支撑。

摘要： 为降低大偏压隧道洞口段衬砌开裂风险,依托巴蕉箐公路隧道工程,对不同工况下偏压隧道衬砌裂缝扩展状态进行了分析,提出偏压隧道衬砌多裂缝扩展的可能,最终基于扩展有限元方法对不同偏压角度下隧道洞口段衬砌多裂缝扩展规律进行了分析。结果表明:随着偏压角度的增大,初始裂缝应力强度因子分布型式逐渐由扁平状转变为窄尖状,衬砌结构整体受力状态变差,易在隧道拱顶60°~90°范围内产生多条初始裂缝同时扩展,在75°位置处产生主裂缝;偏压隧道衬砌多裂缝扩展可分为应力最不利位置裂缝单独快速扩展阶段、主裂缝带动周边初始裂缝形成多裂缝同时扩展阶段和主裂缝逼近贯通衬砌破坏阶段;偏压对隧道衬砌裂缝扩展的影响显著,偏压角度越大,越易形成一条较深的主裂缝,造成衬砌结构破坏;在偏压条件下,主裂缝两侧60°~90°范围内裂缝扩展偏转率呈线性发展,说明在该范围内,离主裂缝越远,周边裂缝向主裂缝靠拢发展的趋势越大。

摘要： 为研究配置高强钢筋的超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)适筋梁受弯性能,基于已完成的受弯性能试验,使用扩展有限元法建立高强钢筋UHPC梁数值模型,对其受弯破坏全过程进行数值模拟。利用试验获得的裂缝分布情况及荷载-位移曲线验证了数值方法的可行性与数值模型的有效性。结果表明:利用扩展有限元法可较好的再现高强钢筋UHPC梁受弯试验结果,并可对试验结果进行一定的补充。

摘要： 柔轮的疲劳开裂是引起谐波减速器精度下降和设备可靠性降低的重要原因。以某型号谐波减速器为研究对象,基于壳体力矩理论建立柔轮等效模型,确定柔轮应力集中的参数;通过有限元仿真,获取柔轮应力最大结点位置,并引入微小角裂纹;通过分析裂尖应力场参量,描述了柔轮裂纹扩展的能力和趋势;基于最大主应力损伤演化准则,通过扩展有限元方法(XFEM)模拟裂纹扩展差异性行为,并搭建加速寿命实验台,验证了扩展有限元模型的正确性。结果表明,裂纹扩展路径与有限元结果吻合;柔轮齿根部及筒体与凸缘交界处应力集中,最易出现疲劳裂纹;裂纹扩展路径受增量步与应力分布影响;应力分布随裂纹扩展程度变化,易引起扩展路径出现偏折现象。

摘要： 在有限元法基础上发展出的扩展有限元法在分析不连续问题时,无需加密或者重构网格,是分析各类不连续问题的有力工具.其基本原理是以单位分解的思想为基础,在常规有限元法位移表达式中补充一些加强函数以反映不连续性.本文在Matlab平台下编写了岩石、混凝土类准脆性材料的扩展有限元程序来模拟裂纹:考虑裂缝断裂过程区,采用黏聚裂缝模型对混凝土三点弯梁的破坏过程进行了数值模拟,计算断裂过程中的荷载—位移曲线.相比于Abaqus扩展有限元子程序,引入了裂尖加强函数,扩展后裂尖停留位置没有限制,计算结果更精确,应用更灵活.

摘要： 扩展有限元是一种用于解决裂纹、孔洞、夹杂等间断问题的数值方法.本文基于扩展有限元法模拟了花岗岩在温度裂缝的萌生及发展过程,并与实验结果进行了对比.

摘要： 本文采用过渡单元连接壳和实体结构,并发展过渡单元适用于大变形问题的有限元格式,形式简单、易用.将扩展有限元法(XFEM)引入连续体(CB)壳单元和过渡单元,模拟壳/实体组合结构中的断裂问题.通过和传统有限元方法的对比说明了本方法的有效性.

摘要： 传统宏观模型难于从细观尺度上研究混凝土材料在外荷载作用下裂纹萌生、扩展及贯通而导致材料断裂的过程,扩展有限元法(XFEM)是求解不连续力学问题中有效的数值方法.细观上将混凝土看作由骨料、砂浆及两者间过渡区界面组成的三相复合材料,基于瓦拉文公式建立细观随机骨料模型,模型真实地反映出混凝土骨料、砂浆和过渡区三个区域.以ABAQUS为平台,采用扩展有限元法模拟了混凝土在三点弯载荷作用下裂纹萌生扩展及试件断裂的细观和宏观损伤过程.计算结果显示了微裂纹绕过强骨料,从强度薄弱处的砂浆和过渡区穿过,直至贯通导致试件断裂的动态过程.

摘要： 扩展有限元法是一种分析不连续问题的新型数值方法,其计算网格独立于结构的任何内部细节,因此,扩展有限元法适用于分析裂纹扩展等强不连续问题.本文通过有限元分析软件Abaqus模拟含孔金属板多裂纹扩展.由两个算例可知道，基于扩展有限元的裂纹分析技术可以模拟多裂纹的任意扩展，能较准确的反应裂纹尖端应力场，对于不同形式的网格划得到相同的分析结果，说明网格划分形式对扩展有限元法分析结果影响有限。

摘要： 本文采用扩展有限元法(XFEM)模拟三维实体中的任意裂纹,并且裂纹面上可以加压力,从而可以模拟页岩油气开采过程中的水力压裂过程.在传统的三维实体单元的基础上,增加额外的自由度,并通过重组自由度,即虚拟节点法,来实现与传统有限元法格式上的统一.通过在ABAQUS中编写显式用户单元子程序,最后通过单边裂缝水压驱动下的扩展算例验证了程序的正确性和有效性.

摘要： 混凝土面板与堆石体之间由于变形不协调导致的面板脱空是面板堆石坝工程中常见的现象,严重时可引起面板的开裂并进而威胁大坝的整体安全.因此,非常有必要计算分析面板是否会出现脱空以及脱空值的大小.针对以往的计算方法难以在直观性、计算精度和容易实施之间取得平衡的现状,本文尝试将脱空视为物体内部不连续界面发生的相对位移,用扩展有限元法(XFEM)进行模拟分析.首先将一种复合式XFEM 接触本构模型扩展到三维,实现在三维条件下XFEM 对不连续界面发生张开和错动的表述;然后,通过一个滑块模型算例用自编程序和ABAQUS 的接触力学方法进行了模拟和对比,验证了这种三维界面接触算法的正确性;最后,以天生桥面板堆石坝为算例计算了面板部位的脱空情况并与实测值和对偶mortar方法的计算结果进行了对比,验证了该方法计算大型实际工程的能力.

摘要： 利用ABAQUS的扩展有限元方法(XFEM)对中心穿透斜裂纹板进行了数值模拟,计算了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的裂纹扩展和应力强度因子.通过对比解析解,考察裂尖应力变化及裂纹扩展期间的能量变化体现了扩展有限元法的准确性以及其在裂纹扩展领域得天独厚的优势,为工程实际应用提供参考.

摘要： 黄土边坡中明显存在上缘张拉开裂的现象,黄土边坡的失稳破坏是张拉剪切的复合模式,而不是单一的剪切破坏结果.采用张拉和Mohr-Coulomb剪切的复合破坏准则对黄土垂直边坡进行了稳定性分析,以剪切破坏区与张拉裂缝联通作为边坡失稳破坏判据.对上缘的张拉开裂过程用扩展有限元方法进行渐进模拟,扩展有限元法中采用统一的富集函数,并使得富集自由度具有明确的物理意义,采用无须分片的积分方案,使得扩展有限元法在土中可以有效地应用.结果表明,不考虑土体的张拉破坏条件下的安全系数偏高,所以考虑张拉破坏是必要的,同时,张拉破坏面的深度较理论之偏高,为边坡滑动面的确定提供参考.

摘要： 本文采用扩展有限元法(XFEM)模拟壳体中的任意裂纹,裂纹可以穿过单元内部.壳体采用基于连续体的壳(CB壳)进行离散,从属节点和主控节点都被扩充,并在小变形假设下给出扩充自由度的转换关系.采用修正的相互作用积分计算裂尖的应力强度因子,并与理论解答进行比较,证明本方法的有效性.

摘要： 本发明涉及一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法，属于水利水电工程领域，特别是对已含裂纹的混凝土重力坝裂纹扩展的路径进行分析计算。利用高阶有限元法计算出具有较高精度的混凝土重力坝应力场和位移场，进而得出高精度的应力强度因子及相当应力强度因子，最后获得相对准确的混凝土重力坝裂纹扩展路径。本计算方法能够直接应用于混凝土重力坝的工程实际问题中，对含初始微裂纹的混凝土重力坝进行裂纹扩展路径的模拟计算，并且计算结果较现有其他计算方法精度相对较高。

摘要： 一种计算机实现的方法包括定义富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置，并在富集区上的第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析。然后根据分析的结果确定第二组节点是否被激活一表示压裂，并将该结果视觉上地输出至用户。

摘要： 本发明涉及一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法，属于水利水电工程领域，特别是对已含裂纹的混凝土重力坝裂纹扩展的路径进行分析计算。利用高阶有限元法计算出具有较高精度的混凝土重力坝应力场和位移场，进而得出高精度的应力强度因子及相当应力强度因子，最后获得相对准确的混凝土重力坝裂纹扩展路径。本计算方法能够直接应用于混凝土重力坝的工程实际问题中，对含初始微裂纹的混凝土重力坝进行裂纹扩展路径的模拟计算，并且计算结果较现有其他计算方法精度相对较高。

摘要： 一种计算机实现的方法包括定义富集区中的第一组节点和第二组节点的各自位置，并在富集区上的第一组节点处执行耦合孔隙流体扩散和应力分析。然后根据分析的结果确定第二组节点是否被激活一表示压裂，并将该结果视觉上地输出至用户。

摘要： 本发明公开了一种基于扩展有限元法的多缺陷群无损识别方法，由正分析和反分析组成。扩展有限元法计算网格独立于结构内部的不连续面，因此缺陷几何变化时无需重构计算网格，故扩展有限元法用于正分析，以节约时间。反分析由三步组成：(i)以稀疏的测点确定包含缺陷群的子域，缩小搜索域；(ii)在子域内添加测点，对缺陷群进行逐个识别以确定群内缺陷的大致位置与大小；(iii)以第二部的结果作为初始解，加速收敛至缺陷的真实形态。本发明能在缺陷数量未知的前提下对多缺陷群进行准确识别，且能显著地减少测点用量和迭代次数。

摘要： 本发明公开了在压缩和/或近不可压缩区域数值仿真工程产品的结构性能的系统、方法和软件产品。无网格扩展有限元法(ME?FEM)用于该数值仿真。ME?FEM要求采用包含多个有限元的FEM模型表示工程产品。在ME?FEM中使用的有限元通常是低阶有限元。FME模型中的每个有限元是由位于该元素的域中的至少一个无网格扩展(ME)节点扩展的。每个ME节点对于其所属的元素具有独立于其他角节点的自由度。将基于位移的第一阶凸无网格近似应用到该ME节点。该凸无网格近似在每个元素的边界具有克罗内克?δ特性以允许应用本质边界条件。该ME?FEM元的梯度矩阵满足积分约束条件。ME?FEM插值是元素级的无网格插值，其在不可压缩界点是离散无发散的。

摘要： 基于扩展有限元法的坝‑基系统地震响应及破坏分析方法，包括以下步骤：步骤一：建立坝‑基系统实体模型，确定各区域的材料信息并赋予相应的材料属性，采用标准有限元法的网格生成算法划分单元网格；步骤二：引入位移逼近模式和压力逼近模式，基于初始裂纹信息更新单元类型信息和节点附加自由度信息；步骤三：定义满足位移逼近模式和压力逼近模式的试函数，构造控制方程弱形式，离散化处理得到基于扩展有限元的控制方程组；步骤四：构造饱和多孔介质粘弹性人工边界，完成人工边界地震动载荷输入；步骤五：得到每个载荷步下坝‑基系统状态；步骤六：对时域内每个载荷步进行坝‑基系统地震响应及破坏分析，追踪坝体裂纹演化过程。

摘要： 本发明公开一种基于扩展有限元法的隧道隐伏式缺陷衬砌病害分析方法，包括如下步骤：基于无损检测结果确定隐伏式缺陷尺寸及影响范围；建立受隧道隐伏式缺陷影响的地层‑结构有限元网格模型；采用轻质虚拟材料+弹簧耦合作用模型模拟隐伏式缺陷；对所示有限元模型施加材料参数及边界条件；选择隧道衬砌支护结构施加富集函数以模拟衬砌病害；通过生死单元的设置，模拟隧道开挖‑支护‑隐伏式缺陷影响，计算衬砌病害的产生、发展规律；计算出病害产生的区域，分析衬砌结构最不利位置。本发明计算模型合理，能够准确反映隧道隐伏式缺陷对衬砌病害的影响，无需进行室内、现场试验的方式，具有经济、科学等优点，应用前景广阔。

摘要： 本发明公开了一种基于扩展有限元法的多缺陷群无损识别方法，由正分析和反分析组成。扩展有限元法计算网格独立于结构内部的不连续面，因此缺陷几何变化时无需重构计算网格，故扩展有限元法用于正分析，以节约时间。反分析由三步组成：(i)以稀疏的测点确定包含缺陷群的子域，缩小搜索域；(ii)在子域内添加测点，对缺陷群进行逐个识别以确定群内缺陷的大致位置与大小；(iii)以第二部的结果作为初始解，加速收敛至缺陷的真实形态。本发明能在缺陷数量未知的前提下对多缺陷群进行准确识别，且能显著地减少测点用量和迭代次数。

摘要： 本发明公开了在压缩和/或近不可压缩区域数值仿真工程产品的结构性能的系统、方法和软件产品。无网格扩展有限元法(ME-FEM)用于该数值仿真。ME-FEM要求采用包含多个有限元的FEM模型表示工程产品。在ME-FEM中使用的有限元通常是低阶有限元。FME模型中的每个有限元是由位于该元素的域中的至少一个无网格扩展(ME)节点扩展的。每个ME节点对于其所属的元素具有独立于其他角节点的自由度。将基于位移的第一阶凸无网格近似应用到该ME节点。该凸无网格近似在每个元素的边界具有克罗内克-δ特性以允许应用本质边界条件。该ME-FEM元的梯度矩阵满足积分约束条件。ME-FEM插值是元素级的无网格插值，其在不可压缩界点是离散无发散的。