基于扩展有限元法的混凝土板壳断裂过程数值模拟研究

Concrete plates and shells are common structures in hydraulic and civil engineering,it is of great engineering and scientific significance to numerically simulate their crack propagation process. The present research will develop a new extended finite element method (XFEM) based on shell elements with relative degrees of freedom. The method will be applied to the numerical simulation of crack propagation process of concrete plate and shell structures. The main focus of the present research includes: The selection and construction of the enrichement functions and the approximate displacement fields for cracked shell elements with relative degrees of freedom; The representation of the crack surface of concrete plates and shells with the level set method and the level set updating algorithm to reflect the crack propagation process; The method for calculation of the mixed-mode stress intensity factors; The implementation of the fictious crack model in the framework of XFEM. The main purpose of the present research is to find a numerical solution to the simulation of the crack propagatoin problem of concrete plates and shells and to investigate the effect of pertinent parameters to the cracking process of the structures and finally to provide a new idea for the safety assessment and remaining life prediction of concrete strutures.

混凝土板壳结构是水利、土木工程常见的结构形式，对其裂纹扩展过程进行数值模拟研究具有重要的工程和科学意义。本项目研究一种新的基于相对自由度壳元的扩展有限元方法，并将该方法应用于混凝土板壳结构裂纹扩展过程数值模拟研究。主要研究内容包括：开裂相对自由度板壳单元富集函数选取和近似位移场构造问题；混凝土板壳结构裂纹面的水平集函数描述方法及反映裂纹扩展过程的水平集函数更新算法；板壳结构断裂问题复合型应力强度因子计算方法；虚拟裂缝模型在扩展有限元法中的实施方法。本项目旨在建立一套混凝土板壳结构裂纹扩展模拟的数值解决方案，研究相关参数对混凝土板壳结构开裂过程的影响，为混凝土结构安全评估和剩余寿命预测提供新的思路。

混凝土板壳结构是水利、土木工程常见的结构形式，对其裂纹扩展过程进行数值模拟研究具有重要的工程和科学意义。本项目研究如何将相对自由度单元应用于扩展有限元方法，并引入虚拟裂缝模型，以准确模拟混凝土板壳结构的准静态断裂过程。本项目主要研究内容包括：开裂相对自由度板壳单元增强函数选取和近似位移场构造问题；板壳结构断裂问题复合型应力强度因子计算方法；虚拟裂缝模型在扩展有限元法中的实施方法。本项目主要创新点为：1）发展了扩展有限元框架下相对自由度开裂单元；2）对非线性控制方程提出了两种新的求解方案，解决了求解过程系数矩阵不对称问题；3）对三点弯曲梁试件的开裂过程进行了参数化研究。通过本项目的研究，开发了一套针对混凝土板壳结构准静态裂纹扩展模拟的数值解决方案及计算程序，可有效模拟混凝土板壳结构准静态裂纹扩展过程。