Tác giả: Vũ Công Hòa, Nguyễn Công Đạt
Tóm tắt:
Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số được ứng dụng rất hữu hiệu trong cơ học khi dự đoán và mô hình hóa ứng xử cơ học của vật liệu và của kết cấu. Tuy nhiên trong một số trường hợp phương pháp phần tử hữu hạn trở nên phức tạp như việc mô phỏng sự di chuyển của những miền không liên tục, dẫn đến việc chia lại lưới phần tử. Phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng (PP-PTHHMR) cho ta một cách thức mới trong việc mô hình hóa vết nứt trên nền tảng phương pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp này cho phép vết nứt được thể hiện một cách độc lập với lưới phần tử, do đó không cần phải chia lại lưới phần tử khi mô hình vết nứt lan truyền. Bài báo này đề cập tới việc hiện thực hóa phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng trong tính toán hệ số mật độ ứng suất, một tham số quan trọng trong việc dự đoán được hướng của vết nứt ngay khi vết nứt không còn phát triển.
13 trang |
Chia sẻ: maiphuongtl | Lượt xem: 2436 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng trong việc tính hệ cường độ ứng suất, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 51
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MỞ RỘNG TRONG VIỆC TÍNH
HỆ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT
Vũ Công Hòa, Nguyễn Công Đạt
Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG –HCM
(Bài nhận ngày 28 tháng 06 năm 2010,, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 18 tháng 10 năm 2010)
TÓM TẮT: Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số ñược ứng dụng rất hữu hiệu
trong cơ học khi dự ñoán và mô hình hóa ứng xử cơ học của vật liệu và của kết cấu. Tuy nhiên trong
một số trường hợp phương pháp phần tử hữu hạn trở nên phức tạp như việc mô phỏng sự di chuyển của
những miền không liên tục, dẫn ñến việc chia lại lưới phần tử. Phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng
(PP-PTHHMR) cho ta một cách thức mới trong việc mô hình hóa vết nứt trên nền tảng phương pháp
phần tử hữu hạn. Phương pháp này cho phép vết nứt ñược thể hiện một cách ñộc lập với lưới phần tử,
do ñó không cần phải chia lại lưới phần tử khi mô hình vết nứt lan truyền. Bài báo này ñề cập tới việc
hiện thực hóa phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng trong tính toán hệ số mật ñộ ứng suất, một tham
số quan trọng trong việc dự ñoán ñược hướng của vết nứt ngay khi vết nứt không còn phát triển.
Từ khóa: Phương pháp phần tử hữu hạn, Phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng, hệ số cường
ñộ ứng suất, Abaqus.
1. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần ñây PP-PTHHMR
xuất hiện như một kỹ thuật hiệu quả trong việc
phân tích những vấn ñề của vết nứt. Nó ngày
càng ñược sử dụng rộng rãi như một phương
pháp khả thi trong mô hình vết nứt phát triển
dưới giả thuyết của cơ học rạn nứt ñàn hồi
tuyến tính [1, 2, 3, 4]. Nguyên tắc của PP-
PTHHMR ở chỗ kết hợp những hàm mở rộng
vào những phần tử suy biến ñể tính chuyển vị ở
gẩn ñỉnh vết nứt.
So sánh với PP-PTHH cổ ñiển, PP-
PTHHMR cung cấp những thuận lợi trong việc
mô phỏng sự lan truyền của vết nứt. Phương
pháp này dựa trên sự mở rộng của bậc tự do
của những nút bị chia cắt bởi vết nứt.
2. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN
Khảo sát một miền Ω có biên là Г bao gồm
Гu , Гt , Гc với Г = Г u U Гt U Гc
Hình 1. Trạng thái cân bằng của vật có vết nứt
Với: Г u là biên của chuyển vị, Гt là biên
của ngoại lực, Гc là bề mặt kéo tự do (vết nứt),
t là thời gian.
Khi ñó phương trình cân bằng ñược viết :
0bfsÑ + =
trong miền Ω (1)
Điều kiện biên như sau:
.
t
n fs =
trên biên
tG
tΓ
uΓ
Γ n
tf
t 0=
cΓ
Ω
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Trang 52 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
=u u
là trường chuyển vị trên biên
u
G
. 0ns =
trên biên
c
G
với σ là tensor ứng suất , bf là lực khối ,
tf
là ngoại lực, n là pháp vector ñơn vị.
3. XẤP XỈ TRONG PHƯƠNG PHÁP PHẦN
TỬ HỮU HẠN MỞ RỘNG (PP-PTHHMR)
Ý tưởng cơ bản của PP-PTHHMR là mở
rộng không gian hữu hạn phần tử bằng cách
cộng thêm những hàm mở rộng.
Khảo sát một ñiểm x thuộc miền phần tử,
xấp xỉ chuyển vị tại ñiểm x ñược tính như sau
[1]:
( ) ( ). ( ). ( ).
enr
e
h fem enr
I I J J
I N J N
u x u u N x u N x x aψ
∈ ∈
= + = +∑ ∑
(2)
Trong (2): ( ). ;
e
fem
I I
I N
u N x u
∈
= ∑
( ). ( ).
enr
enr
J J
J N
u N x x aψ
∈
= ∑
Với: ( )hu x là xấp xỉ chuyển vị tại ñiểm
x;
Iu là chuyển vị nút liên tục; Ja là chuyển vị
nút không liên tục; ( )IN x và ( )JN x là các
các hàm dạng tương ứng; ( )xψ
là hàm mở
rộng tại các nút không liên tục; eN
là tập các
nút của phần tử; enrN là tập các nút bị mở
rộng.
Trong trường hợp mô hình vết nứt phẳng
ta có ñược xấp xỉ [2]:
4
1
( ) ( ). ( ). . . .
dis asympt
h
I I J j J K K K
I N J N K N
u x N x u N x H a N F bα α
α∈ =∈ ∈
= + +∑ ∑ ∑ ∑ (3)
Ở ñây: N là tập các nút không mở rộng;
disN tập các nút bị chia cắt bởi vết nứt;
asymptN
là tập các nút chứa ñỉnh vết nứt; Kbα
là bậc tự do mở rộng dưới ảnh hưởng của
hàm KFα tại nút K ñược ñịnh nghĩa như sau:
( ) ( )= −K KF F x F xα α α (4)
Khi ñó trường chuyển vị
.
= =
Txh fem enr fem enr
I I I I
y
u
u N N u u
u
(5)
Điều này ñược thể hiện rõ hơn thông qua
phần tử tứ giác với hàm dạng tuyến tính. Đây là
một phần tử thông dụng trong PP-PTHHMR vì
việc tính toán dựa trên phần tử này không quá
phức tạp và chính xác hơn so với phần tử tam
giác nói chung.
Xét một phần tử tứ giác
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 53
Hình 2. Phần tử tứ giác trong hệ tọa ñộ tổng thể và hệ tọa ñộ ñịa phương.
Ta có các hàm dạng trong tọa ñộ phần tử tương ứng:
1 2
3 4
1 1( , ) (1 )(1 ) ; ( , ) (1 ) (1 )
4 4
1 1( , ) (1 )(1 ) ; ( , ) (1 ) (1 )
4 4
= − − = + −
= + + = − +
N N
N N
ξ η ξ η ξ η ξ η
ξ η ξ η ξ η ξ η (6)
Lúc này trường chuyển vị:
= +h fem enri i iu u u (7)
= =
I I I I
Txh fem enr fem enr
i
y
u
u
u
N N u u (8)
1 2 3 4
1 2 3 4
0 0 0 0
0 0 0 0
=
I
fem N N N N
N N N N
N (9)
1 2 3 4
1 2 3 4
0 0 0 0
0 0 0 0
=
I
enr
N N N N
N N N N
N (10)
Với: , ( ) ( ) ( )= = −I I I I i i iIN N x x xψ ψ ψ ψ (11)
Khi ñó: 1 2 3 4 1 2 3 4 = I
Tfem
x x x x y y y yu u u u u u u uu (12)
.
1 2 3 4 1 2 3 4 = I
Tenr
x x x x y y y ya a a a a a a au (13)
4. RỜI RẠC HÓA PHƯƠNG PHÁP PHẦN
TỬ HỮU HẠN MỞ RỘNG
Theo thuyết cân bằng năng lượng [1]:
=
in extW W (14)
Tương ñương:
Ω Ω Γ
Ω = Ω + Γ∫ ∫ ∫
b td d f u d f u dσ ε δ δ (15)
Việc hiện thực hóa phương trình trên sử
dụng PP-PTHHMR thu ñược phương trình
sau:
=
hK u f (16)
Với K là ma trận cứng tổng thể; hu là
vector bậc tự do nút bao gồm bậc tự do mở
rộng và f là vector ngoại lực.
Trong PP-PTHHMR thì K , f ñược ñịnh
nghĩa như sau:
=
fe- fe fe-en
en- fe en-en
K KK
K K
(17)
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Trang 54 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
Với
Ω Ω
−
Ω Ω
= Ω = Ω
= Ω = Ω =
∫ ∫
∫ ∫
T T
T T
fe enfe- fe fe en-en en
fe enfe-en en fe en fe
d d
d d
K B C B K B C B
K B C B B C B K
(18)
31 2 4[ ]
( 1,2,3,4)
Γ Ω
Γ Ω
Γ Ω
=
= Γ + Ω
= Γ + Ω
= Γ + Ω
=
∫ ∫
∫ ∫
∫ ∫
t
t
t
bb b bu a T
i i i i i i
u t b
i i i
a t b
i i i
b t b
i i i
f f f f f f f
f N f d N f d
f N H f d N H f d
f N F f d N F f dα α α
α
(19)
Với B là ma trận ñạo hàm của hàm dạng:
, , ,
, , ,
, , ,
, , ,
( ) ( )0 0 0
0 0 ( ) 0 ( )
( ) ( )( ) ( )
( 1 4)
= = =
= ÷
i x i x i x
u a
i i y i i y i i y
i y i y i yi x i x i x
N N H N F
B N B N H B N F
N N H N FN N H N F
α
α
α
α α
α
(20)
Xét trong trưởng hợp phần tử tứ giác. Ta
có tensor biến dạng :
( )
2.
= =
xx
h
yy i
xy
Du x
ε
ε ε
ε
(21)
Với D là toán tử ñạo hàm, khi ñó:
= =
h h
I i iD N u Buε (22)
Kết hợp hai trường hợp cơ bản và mở rộng
ta có ñược :
= I I
fem enrB B B (23)
1, 2, 3, 4,1, 2, 3, 4,
.
1, 2, 3, 4,1, 2, 3, 4,
1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4,1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4,
0 0 0 00 0 0 0
0 0 0 0 ; 0 0 0 0I I
x x x x
x x x x
fem enr
y y y yy y y y
y y y y x x x xy y y y x x x x
N N N NN N N N
N N N N N N N N
N N N N N N N N N N N N N N N N
= =
B B (24)
Công việc còn lại của việc tính toán là ñịnh nghĩa những hàm mở rộng Ψ [5].
4.1 Hàm Heaviside ( ) ( )=x Hψ ξ
Hàm của xấp xỉ ( )hu x ñược viết lại ở dạng:
. ( . ( ) . ( ))
∈ ∈
= + −∑ ∑
enr
h
I I J J i J
I N J N
u N u N H N H aξ ξ (25)
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 55
,
1=iH tại vết nứt, , 0iH =
tại những nơi
khác. Suy ra công thức (20) ñược viết lại như
sau:
,
,
,
,
0
0
i x
a
i i y
i y i x
N H
B N H
N H N H
é ù
ê ú
ê ú
= ê ú
ê ú
ê úë û
(26)
4.2 Hàm dốc ( ) ( )=x xψ φ
Đạo hàm của ( )xψ ñược tính
( )
,,
( ) ( ( )) ( )= iix sign x xψ φ φ
Đạo hàm của ( )xφ theo hai biến
,x y ñược tính như sau:
1
2
, 1, 2, 3, 4,
3
4
( ) [ ] ( , )
= =
i i i i ix N N N N i x y
φ
φφ φ
φ
(27)
4.3 Hàm mở rộng gần ñỉnh vêt nứt
( ) ( , )x F ray q=
Hàm mở rộng tại ñỉnh vết nứt ñược ñịnh
nghĩa ở dạng hệ trục tọa ñộ ( , )r q gắn với ñỉnh
vết nứt.
Hình 3. Hệ tọa ñộ tổng thể và hệ tọa ñộ ñịa phương.
( , ) sin , cos , sin sin , sin cos
2 2 2 2
F r r r r ra
q q q qq q q
ì üï ïï ï
= í ýï ïï ïî þ
(28)
Đạo hàm của ( , )F ra q trong hệ trục ( , )r q
1, 1, 2, 2,
3, 3,
4, 4,
1 1
sin cos cos sin
2 2 2 2 2 22 2
1 1
sin sin ( cos sin sin cos )
2 2 2 22
1 1
cos sin ( sin cos cos cos )
2 2 2 22
r r
r
r
r rF F F F
r r
F F r
r
F F r
r
q q
q
q
q q q q
q q qq q q
q q qq q q
= = = = -
= = +
= = - +
(29)
Trong hệ trục tọa ñộ 1 2( , )x x
y
x
X1
X2
α
α
Vết nứt
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Trang 56 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
1 2 1 2
1 2 1
2
1, 1, 2, 2,
3, 3, 4,
4,
1 1 1 1
sin cos cos sin
2 2 2 22 2 2 2
1 3 1 3 1 3
sin sin (sin sin cos ) cos sin
2 2 2 22 2 2
1 3(cos cos cos )
2 22
x x x x
x x x
x
F F F F
r r r r
F F F
r r r
F
r
q q q q
q q q qq q q
q q q
= = = =
= = + =
= +
(30)
Cuối cùng trong hệ trục tổng thể ta thu ñược
1 2 1 2, , , , , ,
cos sin sin cosx x x y x xF F F F F Fa a a a a aa a a a= - = + (31)
Trong (31): a là góc hợp bởi vết nứt và trục x
5. TÍNH HỆ SỐ MẬT ĐỘ ỨNG SUẤT DỰA
TRÊN PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN
TƯƠNG TÁC
Hệ số mật ñộ ứng suất là một tham số
quan trong việc phân tích vết nứt phát triển. Hệ
số mật ñộ ứng suất ñược ño bằng sự thay ñổi
ứng suất tại vùng lân cận ñỉnh vết nứt. Vì vậy
hệ số mật ñộ ứng suất có vai trò quan trọng
trong việc biết ñược hướng của vết nứt ngay
khi vết nứt không còn lan truyền. Phương pháp
tích phân tương tác là một kỹ thuật rất hữu hiệu
trong việc lập trình ñể tính hệ số mật ñộ ứng
suất.
Xét một vết nứt trong tọa ñộ ñề-các, với
Γ là chu tuyến bao quanh ñỉnh vết nứt.
Hình 4. Tích phân J xung quanh ñỉnh vết nứt.
Tích phân J theo chu tuyến Γ ñược ñịnh nghĩa như sau [3]:
2 1
1 1
Γ Γ
∂ ∂
= − Γ = − Γ ∂ ∂ ∫ ∫
i i
i i ij j
u uJ Wdx T d W n d
x x
δ σ (32)
Với .=i ij jT nσ là lực kéo trên chu
tuyến ;Γ jn pháp vector ngoài của ;Γ W là
mật ñộ năng lượng biến dạng.
Trong phương pháp tích phân tương tác,
một trường bổ trợ ñược ñặt thêm vào ñối tượng
chứa vết nứt cùng với trường hiện có. Lúc này
tích phân J là tổng của hai trường này.
2
1
1
( )1 ( )( ) ( )
2
aux
aux aux aux i
ij ij ij ij j ij ij j
u uJ n d
x
σ σ ε ε δ σ σ
Γ
∂ +
= + + − + Γ ∂ ∫
(33)
Co
n n
e1 e2
m
C+
C-
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 57
Trong (33): ijσ là các thành phần ứng
suất; auxijσ là các thành phần ứng suất bổ trợ;
ijε là các thành phần biến dạng;
aux
ijε à các
thành phần biến dạng bổ trợ.
Dạng rút gọn của công thức (33) là:
= + +act auxJ J J M (34)
1
1 1
aux
aux Mi i
ij ij j j
u u
M W n d
x x
σ σ σ
Γ
∂ ∂
= + − Γ ∂ ∂ ∫
(35)
và M aux auxij ij ij ijW σ ε σ ε= = (36)
( actJ là tích phân J thực; auxJ là tích phân
J bổ trợ; M ñược gọi là tích phân tương tác và
MW ñược gọi là năng lượng tương tác)
Từ mối quan hệ của tích phân J và hệ số
mật ñộ ứng suất, ta có:
2 2
'
'
1 ( ) ;
2 ( . . )
I II
aux aux
I I II II
J K K
E
M K K K K
E
= +
= +
(37)
Ở ñây: IK và
aux
IK là hệ số cường ñộ ứng
suất và hệ số cường ñộ ứng suất trạng thái bổ
trợ theo dạng nứt mode I; IIK và
aux
IIK là hệ
số cường ñộ ứng suất và hệ số cường ñộ ứng
suất trạng thái bổ trợ theo dạng nứt mode II.
Đối với từng dạng vết nứt ta chọn
1;auxIK = 0=
aux
IIK cho dạng nứt thứ nhất
(mode I), và ngược lai cho dạng nứt thứ hai
(mode II). Khi ñó:
'
2
=
EK M (38)
Trong công thức (38), E E′ = khi có
trạng thái ứng suất phẳng và
1
EE
ν
′ =
−
khi có
trạng thái biến dạng phẳng. Với E là mô-ñun
ñàn hồi dọc (Young’s modulus) và ν là hệ số
poisson.
6. KẾT QUẢ VÀ SO SÁNH
Trong phần này giới thiệu việc sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng ñể mô
phỏng một ví dụ ñiển hình của cơ học nứt. Một
tấm có kích thước (0.08 x 0.04) m như hình 5,
chịu kéo với ứng suất σ = 1000 MPa cạnh dưới
cố ñịnh theo phương y, các tham số vật liệu là
E = 117.103 MPa, ν = 0.34.
Hình 5. Tấm hình chữ nhật chịu kéo
a
W
H
σ
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Trang 58 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
Theo lý thuyết hệ số mật ñộ ứng suất KI
ñược tính như sau [1]:
IK C as p= (39)
Trong ñó a là chiều dài vết nứt, W là chiều
rộng tấm, và C là hệ số thực nghiệm [1]
2 3 4
1.12 0.231 10.55 21.72 30.39 a a a a aC
W W W W W
æ ö æ ö æ ö æ ö æ ö÷ ÷ ÷ ÷ ÷ç ç ç ç ç= - + - +÷ ÷ ÷ ÷ ÷ç ç ç ç ç÷ ÷ ÷ ÷ ÷ç ç ç ç çè ø è ø è ø è ø è ø
(40)
khi 0.015a m=
thì hệ số mật ñộ ứng suất
theo lý thuyết bẳng 428.3 Mpa m .
Để tiện
cho việc so sánh một tấm hình chữ nhật chịu
kéo ñược chia với nhiều lưới phần tử khác nhau
bởi phần tử tứ giác, ñể tiếp cận với kết quả
chính xác.
Trên hình 6 chuyển vị theo phương Y của
tấm ñược giải bằng Abaqus và XFEM, một
phần mềm khá mạnh trong lĩnh vực cơ học phi
tuyến trên nền tảng phương pháp phần tử hữu
hạn.
Bảng 1 và hình 7 so sánh chuyển vị lớn
nhất theo phương y (UYmax) của tấm với nhiều
lưới phần tử khác nhau khi giải bằng Abaqus
và XFEM.
a) b)
Hình 6. Chuyển vị theo phương Y của tấm giải bằng a) Abaqus và b) XFEM
Bảng 1.Chuyển vị lớn nhất theo phương y
Số phần tử UY max
(Abaqus)
UY max
(PTHHMR)
Sai Số
(%)
171 1,801.10-3 1,5360.10-3 14,714
361 1,801.10-3 1,5643.10-3 13,143
741 1,801.10-3 1,5921.10-3 11,599
1521 1,801.10-3 1,5924.10-3 11,582
3081 1,801.10-3 1,6082.10-3 10,705
4661 1,801.10-3 1,6140.10-3 10,381
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 59
Bảng 2. Ứng suất lớn nhất theo phương y
Số phần tử σYY max
(Abaqus)
σYY max
(PTHHMR)
171 9,888.103 2,8355.103
361 9,888.103 4,7754.103
741 9,888.103 6,7139.103
1521 9,888.103 7,4157.103
3081 9,888.103 8,0143.103
4661 9,888.103 10,033.103
Hình 7. Quan hệ giữa tổng số phần tử và chuyển vị lớn nhất UYmax
Bảng 2 và hình 9 so sánh ứng suất lớn nhất
theo phương Y (σYY max) của tấm với nhiều
lưới phần tử khác nhau khi giải bằng Abaqus
và XFEM.
a)
(b)
Hình 8. Ứng suất trong tấm theo phương Y giải bằng a) Abaqus và b) XFEM
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Trang 60 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
Hình 9. Đồ thị quan hệ giữa tổng số phần tử và ứng suất lớn nhất theo trục Y (σYY max).
Bảng 3 và hình 10 so sánh hệ số mật ñộ ứng suất với các lưới phần tử khác nhau và hệ số mật ñộ
ứng suất theo lý thuyết
Bảng 3.Hệ số mật ñộ ứng suất KI
Số nút KI
(lý thuyết)
KI
(xấp xỉ)
Sai số
(%)
50 4.283.102 3.942.102 7.966
200 4.283.102 4.089.102 4.532
800 4.283.102 4.217.102 1.547
1600 4.283.102 4.218.102 1.511
3200 4.283.102 4.253.102 0.695
4800 4.283.102 4.265.102 0.4144
Hình 10. Đồ thị ñánh giá sai số % của hệ số mật ñộ ứng suất KI so với lý thuyết dựa trên tổng số nút N.
Tổng số phần tử
σ Y
Y
m
a
x
Tổng số nút N
Sa
i s
ố
%
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 61
Lưới (20 x 40) Lưới (20 x 20)
Hình 11. Chu tuyến tích phân J
Bảng 4: Quan hệ giữa bán kính chu tuyến và tổng số nút
Tổng số nút Bán kính chu tuyến ( )%I I XFEM
I
K K
K
−
400
800
1600
1800
2400
3200
10.4 x10-3
7.3x10-3
5.1 x10-3
4.8 x10-3
4.1 x10-3
3.6 x10-3
2.8229
1.6036
3.1759
3.1397
2.5076
1.7101
Tich phân J
Tổng số nút
Giải tích XFEM Sai số (%)
400
800
1600
1800
2400
3200
1.380
1.380
1.380
1.380
1.380
1.380
1.303
1.336
1.293
1.294
1.311
1.333
5.580
3.188
6.304
6.232
5.000
3.406
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Trang 62 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
Tông sô Node
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Ba
n
ki
n
h
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.010
0.011
Hình 12. Quan hệ giữa tổng số nút N và bán kính chu tuyến R.
7. KẾT LUẬN
Việc áp dụng phương pháp số ñể giải
quyết các vấn ñề của cơ học rạn nứt là cần thiết
trong thực tế. Thông qua sự hỗ trợ của máy tính
và PP – PTHHMR, những mô hình vết nứt
ñược giải quyết một cách thuận lợi, nhanh
chóng. Ví dụ như hệ số mật ñộ ứng suất KIC
trước ñây ñược tính thông qua thực nghiệm,
nhưng ñiều này ñã ñược khắc phục thông qua
phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng bằng
chương trình mô phỏng trên máy tính. Bài báo
này dừng lại ở chỗ chỉ mô phỏng một ví dụ cơ
bản của cơ học nứt. Trong các nghiên cứu kế
tiếp theo sự tính toán và mô phỏng sự lan
truyền các dạng mô hình vết nứt sẽ ñược tiếp
tục phát triển.
APPLYING OF EXTENDED FINITE ELEMENT METHOD FOR CALCULATING
STRESS INTENSITY FACTOR
Vu Cong Hoa, Nguyen Cong Dat
University of Technology, VNU – HCM
ABSTRACT: Finite element method is a very powerful numerical method to predict and model
mechanical behavior of material and structure. However, in some cases finite element method is more
complicated like the modeling of moving discontinuities, hence the need to update the mesh to match the
geometry of discontinuity. Extended finite element method (XFEM) allows us a new technique to
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 63
modeling crack independently of the mesh; hence it is no need to remesh during propagation of the
crack. In this paper, an extended finite element method is used to calculate stress intensity factor. It’s
important parameter when we predict the direction of crack in the event of crack stops propagation.
Keywords: finite element method, extended finite element method, stress intensity factor, Abaqus.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].Mohammadi S., Extended Finite Element
Method for Fracture Analysis of structure,
Blackwell Publishing, 24-115 (2008).
[2].Moës N., Sukumar N., Moran B.,
Belytschko T., An Extended Finite
Element Method for Two and Three
Dimentional Crack Modeling, in
ECCOMAS 2000, Barcelona, Spain,
(9/2000).
[3].Carlos Cueto-Felgueroso, Implementation
Domain Integral Approach for J Integral
Evaluations, Transactions, SMiRT 16,
Washington DC, 1355, (8/2001).
[4].Vinh P. N., Timon R., Stéphane B.,
Meshless methods: A review and computer
implementation aspects, Mathematics and
Computers in Simulation
79 (3), 763-813 (2008).
[5].Bodas S., Extended Finite Element Method
and Level Set Method with Applications to
Growth of Cracks and Biofilms, Ph.D
thesis, Northwestern University (2003).
[6].Ferreira A. J. M., Matlab Codes for Finite
Element Analysis Solids and Structure,
Springer Publisher, 143-160 (2008).
[7].Chessa J., Programing the Finite Element
Method with Matlab, Northwestern
University (2002).
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- ung_dung_phuong_phap_phan_tu_huu_han_mo_rong_trong_viec_tinh_he_cuong_do_ung_suat.pdf