冲击载荷作用下准脆性连续体破裂_离散元

论文导读:：在连续体动力问题中心差分算法的基础上，引进准脆性材料的破坏准则，节点单元的破裂算法、离散子块的接触搜索及接触力计算等，对准脆性连续体在冲击载荷作用下的破裂破坏问题进行数值模拟。通过数值算例，给出结构在冲击载荷作用下裂纹产生和扩展的模拟结果图，初步验证程序的正确性和可应用性，为模拟连续体转变为非连续体这一复杂物理过程提出新方法和新思路。
论文关键词：有限元，离散元，准脆性，破裂，冲击
 

1 引言

准脆性材料结构如混凝土、岩石等在外力作用下产生的损伤断裂等破坏过程涉及到从连续体向非连续体转化的复杂物理过程，其破坏过程的研究对于结构工程、地下工程以及采矿工程等都有重要的意义。而对这一过程的模拟在数值建模、算法等诸多方面存在很多困难，迄今尚未完全成熟。

由于离散元法等用于散体分析的数值方法在处理结构破碎后的动力分析时有很大的优势，所以很多研究者采用离散元法与其它方法结合的算法来模拟结构多重破裂的动力学行为^[1-7]。另一类很重要的方法是从连续体方法（有限元）出发进行研究^[8-16]。英国Swansea大学Owen领军的研究团队^[8-11]、Munjiza^[12-13] 和唐春安^[14]等做了大量的研究。如Klerck^[11]研究的混凝土冲击问题的数值模拟；Klerck^[11]和Cottrell构建了准脆性材料在拉压应力场中破碎过程的力学模型，伴随着材料的破坏同时产生了肉眼可见的裂纹。徐泳与Swansea大学合作，研究了土壤破碎问题，并与试验结果对比^[15]；

本文方法可称为可离散有限元法，主要是结合传统有限元及离散元方法的优点，在连续体有限变形理论和动力问题中心差分算法的基础上，首先定义出连续固体，建立合理的破裂破碎准则，然后施加外来作用令其产生破裂和破碎，将有限元法与断裂-损伤力学融合在一起用于分析准脆性固体的破碎。具有固体特征的准脆性材料连续体在破裂破碎前后形态和本构特征都用动力学有限元规范和断裂-损伤力学进行描述，计算破碎后的子块碰撞作用时要引入离散元法的接触搜索和接触规律处理等。

2 可离散有限元法基本理论

2.1 动力有限元法

有限元动力学方程可以表达为

(1)

式中分别是位移、速度和加速度向量。M是质量矩阵，在中心差分法中一定采用集中质量矩阵，使得M成为对角矩阵。C是阻尼矩阵，一般采用Rayleigh阻尼（或广义Rayleigh阻尼）的形式，使得C可用M与K表达，例如表达为。

C = a₁M + a₂K。(2)

a₁和a₂是两个常系数，K是刚度矩阵，但是在中心差分法中并不需要组集成总刚度矩阵。F是外载荷向量。把方程改写成

(3)

方程右端是可以在单元级组集的列向量离散元，方程左端是一个对角矩阵乘以加速度向量，所以上式可以简化成

m_ii = f_i ，（i=1,2,……）

速度的中心差分可表示为：

(4)

将(4)式中的步长减小一半，就可有

类似有加速度的中心差分公式

当加速度求得后，就可求得速度

或可写成

(5)

再由速度求得位移

当从运动方程解得节点的位移向量后，则可利用几何方程和物理方程计算所需要的应变和应力。

2.2 准脆性材料的应变软化失效模型

试验表明，一般混凝土材料在应力达到抗拉强度之前表现为线弹性特性，超过这个极限，随应变的缓慢增加拉伸应力逐渐减小。一维的拉伸应变软化表示为：

(6)

上述表达式也可由图1来表示。

在弹性加载过程中，应力与应变是线性关系，即图1(a)中的直线段部分，该直线的斜率是弹性模量E。当应力达到材料的抗拉强度f_t时，开始出现应变软化，软化曲线是一个单调的、斜率为负的连续函数。最终，假设在某一有限的应变或时应力达到零。当时为加载；当时为卸载中国期刊全文数据库。

(a)全程应变(b)非弹性应变

(a) Fullstrain(b) Inelastic strain

图1 一维拉伸应变软化模型

Fig.1 one-dimensional tensile strain softening model

模拟计算时，为简单起见，对准脆性材料可以采用线性软化模型，则在第一主应力方向上的抗拉强度

(7)

其中，f_t是初始抗拉强度，H可由下式给出：

(8)

其中，为单元等效尺寸，G_f为材料特定的断裂能。对于任意形状的有限元网格，应变软化会在一个单元内产生，若该单元的等效尺寸为，则断裂能可表示为：

(9)

其中，为该单元更新后的断裂能密度。

2.3 单元的拓扑更新

当拉伸应力下降为零时，在与其垂直的方向上引入裂纹。定义失效系数为断裂应变与临界断裂应变的比值。在高斯点k的局部失效系数F_k可表示为：

(10)

其中， F_k的断裂方向为q_k（为垂直于失效软化方向）。将该时刻邻近单元的失效系数和断裂方向在节点上进行加权平均，来得到全局的失效映射。节点p处加权平均后的失效系数和失效方向表示为：

(11)

其中，N_adj为邻近高斯点个数，w_k为权重系数，通常取为单元面积或体积。

当某一节点的失效系数大于1，则在该点处引入一条裂纹。在定义了失效节点的断裂面以及加权平均后产生的断裂方向后，裂纹以及相关的拓扑更新就会被引入。裂纹面代表了真实的裂纹方向且通常情况下不会恰巧与单元边界重合（如图2(a)）。因此，实际的裂纹扩展方向需要进行局部的网格更新，这就可能产生新的单元，这种裂纹生成方式叫做单元内断裂（如图2(b)）。如果只是单纯地将单元一分为二，该方式可能会导致几何形状狭长的不理想新单元产生，这会减小计算的时间步长。除此之外，还有另外一种裂纹生成方式，即单元间断裂方式（如图2(c)），该方式不进行局部的网格更新，裂纹只在与预计的断裂方向最接近的单元边界产生离散元，因此该方式的网格会影响裂纹的走向，对网格划分精度要求较高。

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