使用VCFEM自动模拟界面裂纹和基体裂纹的萌生和扩展

基于界面裂纹扩展为基体的转化机制，本文提出了包含颗粒相、界面相、基体相、界面裂纹和基体裂纹的模型。推导了该模型的泛函，并发展了一种新的包含界面相的Voronoi单元有限元法( VCFEM )来描述界面裂纹和基体裂纹的萌生和扩展。构建了一种新的反映裂纹从界面向基体扩展的网格剖分方法，可以自动模拟界面裂纹的萌生和扩展以及界面裂纹向基体裂纹的转化和贯通。随着裂纹扩展，各种组合单元模型被提出。对于这些组合单元，其共有的外部节点随着裂纹穿过原单元而变化，而其他单元的外部节点数保持不变。通过一些数值例子，将新的VCFEM的结果与Abaqus和解析解的结果进行比较，验证了该方法的有效性。由于该方法假设一个单元内存在高阶应力场，并且可以用较少的单元捕获应力集中，因此适用于大规模计算。