[论文解读] A critical evaluation of dynamic fracture simulations using cohesive surfaces
本文批判性评估了在有限元模型中使用粘聚面进行动态断裂模拟的方法，表明具有初始弹性的粘聚定律会导致因材料不必要地变 stiff 而引发人工裂纹分叉，而刚性粘聚定律虽可避免此问题，却无法在标准网格上预测裂纹分叉。研究强调了粘聚面间距作为物理长度尺度的关键作用，限制了网格细化程度，并影响动态断裂模拟的精度。
Finite element calculations of dynamic fracture based on embedding cohesive surfaces in a continuum indicate that the predictions are sensitive to the cohesive law used. Simulations were performed on a square block in plane strain with an initial edge crack loaded at a constant rate of strain. Cohesive laws that have an initial elastic response were observed to produce spontaneous branching at high velocity, but to modify the linear elastic properties of the body. As a consequence the cohesive surface spacing cannot be refined arbitrarily and becomes an important length scale in the simulations. Cohesive laws that are initially rigid do not alter the linear elastic response of the body. However, crack branching behavior was not observed when such a cohesive relation was implemented using a regular finite element mesh.
研究动机与目标
- 评估在有限元分析中使用粘聚面进行动态断裂模拟的可靠性。
- 研究不同粘聚定律对动态断裂中裂纹扩展与分叉行为的影响。
- 确定粘聚面间距与网格细化对模拟结果的影响。
- 评估粘聚面方法是否能准确捕捉物理断裂力学，而不会引入人工效应。
- 比较弹性与刚性粘聚定律在预测动态裂纹行为方面的性能。
提出的方法
- 在平面应变条件下，对带有初始边缘裂纹的方形块体施加恒定应变率载荷，开展有限元模拟。
- 在连续体中嵌入粘聚面以模拟裂纹扩展，采用具有初始弹性响应或初始刚性的粘聚定律。
- 采用规则的有限元网格，评估网格结构对裂纹分叉行为的影响。
- 监测材料的线弹性性能，以检测粘聚定律引起的不必要变 stiff。
- 分析裂纹路径稳定性、分叉现象以及对粘聚面间距的敏感性。
- 对具有和不具有初始弹性的粘聚定律进行对比分析，以隔离其影响。
实验结果
研究问题
- RQ1粘聚定律的选择如何影响动态断裂模拟中的裂纹分叉？
- RQ2粘聚面间距在多大程度上影响模拟结果和网格收敛性？
- RQ3粘聚面方法能否在不改变体材料线弹性响应的前提下准确模拟动态断裂？
- RQ4为何采用弹性粘聚定律的模拟会产生自发裂纹分叉，而刚性定律则不会？
- RQ5有限元网格结构在使用粘聚面预测裂纹分叉时起到何种作用？
主要发现
- 具有初始弹性响应的粘聚定律导致材料出现人工变 stiff，改变了其线弹性性能，进而在高应变率下引发自发裂纹分叉。
- 由于诱发的变 stiff，粘聚面间距无法任意细化，使其成为模拟中的关键物理长度尺度。
- 具有初始刚性响应的粘聚定律保持了材料的线弹性响应，避免了人工变 stiff。
- 尽管保持了正确的弹性响应，刚性粘聚定律在规则有限元网格上仍无法产生裂纹分叉，表明分叉预测存在网格依赖性。
- 结果表明，粘聚面方法对粘聚定律的制定和网格结构均敏感，限制了其在动态断裂模拟中的预测准确性。
- 本研究结论认为，粘聚面方法需对粘聚定律和网格分辨率进行仔细校准，以避免在动态断裂模拟中产生虚假结果。
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