基于X-SBFEM混凝土非线性断裂数值模型研究

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在工程领域中,混凝土结构断裂问题一直都是影响结构安全的关键因素。尤其对大坝而言,裂缝的发展对坝体安全很多时候是致命的。基于线弹性断裂力学及非线性断裂力学是现今断裂分析较为成熟的两个方向。其中线弹性断裂分析方法忽视了断裂过程区存在的影响,这种简化在很大程度上是失去客观性的。从离散断裂的角度出发,对裂纹进行非线性分析,求解断裂过程区粘聚力,对于工程结构研究及设计意义重大。  为模拟准脆性材料(混凝土)的断裂过程区,插入粘性内插单元并引入影子域是一种常见方案。但最近发展的线性渐进叠加法相对前者而言可以在很大程度减小计算量。这种算法假设把裂尖非线性粘聚问题简化为线弹性问题。以比例边界有限元进行模拟的裂尖域超单元的裂纹面力所得位移场是非齐次的微分方程特殊解之一。  扩展比例边界有限元在很大程度上摈弃了扩展有限元和比例边界有限元的缺陷,同时吸取了二者优点:模拟裂尖域的超单元使用比例边界有限元法,利用其可半解析的求解(径向解析、环向可得有限元级的精确求解),在无限域及裂尖奇异性等问题方面有明显优势,且当比例中心置于裂尖点时可以side-face力的形式在裂尖裂纹面施加任意分布荷载;模拟裂纹中段时扩展有限元法在进行模拟裂纹扩展时相对比例边界有限元法无需网格重构的优势得以充分体现,但如用其模拟裂尖则需提前构造十分复杂的富集函数,且特殊的数值积分技术在形成单元刚度阵时也是常需的。此外,两者可衔接在有限元法框架内。  本文提出基于扩展比例边界有限元结合线性渐进迭代法及水平集算法模型对混凝土材料断裂过程区进行分析,求解所得粘聚力以超单元内裂尖裂纹面力的形式施加。首先对混凝土断裂分析的两个典型数值算例:三点单一裂纹弯曲梁和四点单一裂纹剪切梁,分析其裂纹过程区的能量消散,验证了本文方法的精度与应用效果。最终将本文方法推广至典型混凝土重力坝算例模型中,讨论了在重力坝中考虑断裂过程区的必要性及本文方法的有效性。
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