基于扩展有限元方法（XFEM）的裂纹富集元素的开发与验证 史彦凯（Yanke Shi）、 陈黎明（Liming Chen）、 赵鹏团（Pengtuan Zhao）、 霍俊毅（Junyi Huo） 以及 史洛阳（Luyang Shi）

《Materials》：Development and Verification of Crack-Enriched Elements Based on XFEM Yanke Shi, Liming Chen, Pengtuan Zhao, Junyi Huo and Luyang Shi

　　

摘要

在使用过程中，由于局部裂纹的产生和扩展，混凝土结构常常会出现贯穿性裂纹，这可能导致整个结构的断裂和失效。结构构件中裂纹的扩展模式和规律与整个结构的安全性密切相关。研究裂纹扩展并预测开裂结构的裂纹扩展路径可以为结构的安全设计和加固提供技术支持。本文基于扩展有限元方法（XFEM）的基本框架，利用水平集方法为ABAQUS开发了一种用户自定义单元（UEL），并在二维空间中利用该自定义单元以及软件内置的XFEM模块模拟了混凝土梁弯曲试验中的裂纹扩展过程。自定义单元的模拟结果与XFEM模块的结果在趋势上是一致的，但XFEM模块模拟的裂纹只能沿单元边界扩展，无法跨越单元边界，且其结果的准确性高度依赖于网格尺寸。自定义单元模拟的裂纹尖端可以保持在单元内部，模拟的裂纹扩展路径与实验结果更为吻合。通过对比混凝土梁的四点弯曲试验结果和软件的XFEM模块的结果，验证了该自定义单元的正确性。本文开发的用户自定义单元能够有效预测混凝土梁的裂纹扩展路径，并揭示混凝土梁的多裂纹扩展规律。