基于近场动力学的精确数值积分算法

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经典连续介质力学模型在求解不连续问题时,由于构成偏微分方程的空间导数在裂纹尖端或沿裂纹表面不存在,无法有效模拟裂纹的自然萌生和动态扩展过程。基于非局部思想建立的近场动力学(Peridynamic,简称PD)模型采用积分形式的运动方程来描述物质力学行为,其本构力函数中包含了对损伤和断裂的描述,因此在分析材料破坏的问题时不需要引入额外的断裂准则,这些特性使之能够很好地模拟具有复杂破坏机理和多裂纹共存的不连续问题。PD模型进行求解时,通常将积分形式的运动方程转化为有限求和的形式,因此对物质点近场域进行精确积分是PD模型数值实现的一项重要内容。大多数实际结构是不规则的(尤其是含有孔隙、裂缝等缺陷时),其模型需要进行非均匀离散化。目前常见的PD物质点积分算法不能精确计算积分区域大小,尤其是针对于非均匀离散区域,这将降低PD模型的计算精度。本文提出了一种新的积分修正算法来提高PD模型的计算精度,并基于经典键基PD模型验证了算法的有效性。本文主要工作包括三部分:(1)通过将PD物质点近场域与相邻网格的相交区域划分为简单子域的方法,提出了对近场域边界处相交区域精确计算的体积修正算法,分别推导了二维及三维情况下计算相交面积和相交体积的解析表达式,获得了精确的近场域体积;(2)提出了PD物质点的积分域修正方案,重构了PD微模量函数,并分别采用单点积分和高斯积分验证了该方案的合理性;(3)采用将近场域边界处相交区域的几何形心作为积分点的方式进一步提高整体计算精度,并通过计算应变能密度验证了该形心修正算法的有效性。本文通过在准静态条件下模拟预制中心圆孔板的单轴拉伸与横向剪切,分析了不同离散网格尺寸的m收敛性;在动态条件下,通过模拟几个比较典型的断裂问题,并与文献中的实验结果进行对比,验证了本文所提出的积分修正算法对提高计算精度的有效性。模拟结果表明:(1)本文所提出的体积修正算法可以精确计算整个近场域的体积,不仅适用于均匀离散化模型,也适用于非均匀离散化模型;(2)本文所提出的积分域修正算法,可以有效地消除数值积分实现与理论值之间的误差;(3)形心修正算法可以有效提高单点积分的精度,但积分修正算法结合高斯积分后会有更高的精度。
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