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扩展有限元法的应用与发展

【摘要】:传统有限元法一般采用多项式或插值多项式描述单元内部的位移场,由于形函数的连续性,导致单元内部不能存在间断。XFEM 以标准有限元的理论为框架,在包含裂纹间断的区域,对形函数进行扩展,加入带不连续性质的形函数来描述裂纹间断引起的位移变化。

针对传统有限元方法处理裂纹等非连续界面问题存在的困难,1999年,美国西北大学的Belystchko 教授和Moës 教授提出了扩展有限元(Extended Fi⁃nite Element Method,XFEM)的思想[16,17],在保留传统有限元所有优点的同时,不需要对裂纹间断划分网格。国内清华大学的庄茁教授及其团队在XFEM方面做了大量基础性研究工作[19]。传统有限元法一般采用多项式或插值多项式描述单元内部的位移场,由于形函数的连续性,导致单元内部不能存在间断。XFEM 以标准有限元的理论为框架,在包含裂纹间断的区域,对形函数进行扩展,加入带不连续性质的形函数来描述裂纹间断引起的位移变化。XFEM 计算过程中,对不连续场的描述完全独立于网格边界,在处理断裂问题时有更明显的优势[18,19]。扩展有限元法相对于其他数值方法具有以下几点优越性:①允许裂纹在单元内部和穿过单元,可以在规则网格上计算复杂形状裂纹,模拟裂纹扩展时,不需要对网格重新进行划分,节省了计算成本;②在裂纹面和裂纹尖端采用增强函数构造非连续性,对裂纹面和裂纹尖端附近的单元节点增加附加自由度,通过满足适当性质大的形函数来捕捉裂尖奇异场,可以在粗网格上获得较为精确的解答;③与连续剖分的有限元比较,在不同剖分单元之间不需要那么多映射;④与边界元相比,其适用于各种材料和多介质问题,更适用于几何和接触非线性问题;⑤可以用于大型有限元并行计算技术,其程序可以写入商用有限元软件