使用 EFEM 和 XFEM 对单晶中动态裂纹扩展的验证模拟

陶瓷和地质材料等脆性和准脆性材料会在冲击事件中通过动态裂纹扩展而失效。此类事件的模拟在许多应用中都很重要。本文通过在单晶石英上进行的冲击实验以及使用 X 射线相衬成像 (XPCI)对动态裂纹原位成像比较了嵌入式有限元法 (EFEM) 和扩展有限元法 (XFEM) 在模拟动态裂纹扩展方面的有效性。该实验在先进光子源 (APS) 的同步加速器设备上运行的 Kolsky 棒（产生大约 103 s^-1的应变率）中进行。原位XPCI技术可以以微米尺度空间分辨率和亚微秒时间分辨率记录动态裂纹扩展，并利用相应图像提取时间分辨裂纹扩展路径和速度。首先提出了EFEM 和 XFEM 动态离散化计算的统一框架。该框架阐明了两种方法在富集技术和数值解方案上的差异。在这两种情况下，都使用内聚律来描述裂纹萌生后的断裂过程。将使用两种模拟方法的动态断裂实验模拟与现场实验观察和测量进行了比较。讨论了每种方法在捕获早期裂纹扩展过程方面的性能。