Thermodynamically consistent phase‐field models of fracture: Variational principles and multi‐field FE implementations

不连续性分类 领域(数学) 有限元法 相场模型 数学 断裂(地质) 相(物质) 物理 统计物理学 计算机科学 应用数学 数学分析 结构工程 工程类 岩土工程 量子力学 纯数学
作者
Christian Miehé,Fabian Welschinger,Martina Hofacker
出处
期刊:International Journal for Numerical Methods in Engineering [Wiley]
卷期号:83 (10): 1273-1311 被引量:1880
标识
DOI:10.1002/nme.2861
摘要

Abstract The computational modeling of failure mechanisms in solids due to fracture based on sharp crack discontinuities suffers in situations with complex crack topologies. This can be overcome by a diffusive crack modeling based on the introduction of a crack phase‐field. In this paper, we outline a thermodynamically consistent framework for phase‐field models of crack propagation in elastic solids, develop incremental variational principles and consider their numerical implementations by multi‐field finite element methods. We start our investigation with an intuitive and descriptive derivation of a regularized crack surface functional that Γ‐converges for vanishing length‐scale parameter to a sharp crack topology functional. This functional provides the basis for the definition of suitable convex dissipation functions that govern the evolution of the crack phase‐field. Here, we propose alternative rate‐independent and viscous over‐force models that ensure the local growth of the phase‐field. Next, we define an energy storage function whose positive tensile part degrades with increasing phase‐field. With these constitutive functionals at hand, we derive the coupled balances of quasi‐static stress equilibrium and gradient‐type phase‐field evolution in the solid from the argument of virtual power. Here, we consider a canonical two‐field setting for rate‐independent response and a time‐regularized three‐field formulation with viscous over‐force response. It is then shown that these balances follow as the Euler equations of incremental variational principles that govern the multi‐field problems. These principles make the proposed formulation extremely compact and provide a perfect base for the finite element implementation, including features such as the symmetry of the monolithic tangent matrices. We demonstrate the performance of the proposed phase‐field formulations of fracture by means of representative numerical examples. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
大幅提高文件上传限制,最高150M (2024-4-1)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
斯文败类应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
ian应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
paparazzi221应助科研通管家采纳,获得50
1秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
小马甲应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
科研通AI2S应助科研通管家采纳,获得10
1秒前
刘敏发布了新的文献求助10
1秒前
脑洞疼应助烛火采纳,获得10
2秒前
大波斯菊发布了新的文献求助10
3秒前
你帅你有理发布了新的文献求助200
3秒前
4秒前
深情安青应助迷路荷花采纳,获得10
5秒前
7秒前
7秒前
yukkii完成签到,获得积分10
8秒前
刘忙完成签到,获得积分10
9秒前
醉仙发布了新的文献求助10
9秒前
一颗星发布了新的文献求助30
9秒前
Ella发布了新的文献求助10
12秒前
今后应助一颗星采纳,获得10
12秒前
科研dog发布了新的文献求助10
12秒前
喷泡的兔子完成签到,获得积分10
15秒前
16秒前
沉静野狼完成签到,获得积分10
16秒前
zho关闭了zho文献求助
16秒前
娜na完成签到,获得积分10
16秒前
18秒前
lmm给lmm的求助进行了留言
18秒前
活力的映易完成签到,获得积分10
18秒前
zhlh完成签到,获得积分10
20秒前
21秒前
22秒前
Apr9810h完成签到 ,获得积分10
24秒前
迷失浪人发布了新的文献求助10
24秒前
早日发nature完成签到,获得积分10
24秒前
25秒前
25秒前
27秒前
zho发布了新的文献求助10
28秒前
高分求助中
Sustainability in Tides Chemistry 2800
The Young builders of New china : the visit of the delegation of the WFDY to the Chinese People's Republic 1000
Rechtsphilosophie 1000
Bayesian Models of Cognition:Reverse Engineering the Mind 888
Le dégorgement réflexe des Acridiens 800
Defense against predation 800
Very-high-order BVD Schemes Using β-variable THINC Method 568
热门求助领域 (近24小时)
化学 医学 生物 材料科学 工程类 有机化学 生物化学 物理 内科学 纳米技术 计算机科学 化学工程 复合材料 基因 遗传学 催化作用 物理化学 免疫学 量子力学 细胞生物学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 3135027
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 2785983
关于积分的说明 7774640
捐赠科研通 2441787
什么是DOI,文献DOI怎么找? 1298184
科研通“疑难数据库(出版商)”最低求助积分说明 625088
版权声明 600825