耦合相场与内聚力模型的虚拟单元法框架在复合材料裂纹扩展中的鲁棒性研究

《Composite Structures》：A robust virtual element method framework coupling phase-field and cohesive zone models for crack propagation in composite structures

本文创新性地提出了一种将虚拟单元法（VEM）与相场断裂模型（PFM）和内聚力模型（CZM）相结合的数值模拟框架，用于精确预测复合材料中基体开裂与界面脱粘的复杂相互作用。该框架利用VEM处理复杂几何形状和非协调网格的灵活性，通过PFM描述基体裂纹的拐折、弯曲和分叉，并借助CZM捕捉界面的混合模式分离。研究通过多个典型损伤机制的数值算例验证了方法的有效性，并将其集成于商业软件ABAQUS中，为复合材料破坏分析提供了强大且实用的工具。

　　

Highlight

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  开发了一个结合相场法（PFM）和内聚力模型（CZM）的虚拟单元法（VEM）框架，用于模拟复合材料中的断裂。
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  通过定量验证，证明了所提出框架的鲁棒性，特别是在包含悬挂节点或包含超过100条边的单多边形单元的网格等具有挑战性的场景中。
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  使用所提出的框架，对复合材料中的一系列损伤机制进行了数值模拟，例如界面开裂、裂纹从界面拐折、裂纹穿透或沿界面偏转以及多重裂纹萌生。
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  通过耦合的VEM-FEM（有限元法）公式扩展了该框架，以模拟经历有限变形的复合材料中的多重裂纹萌生。

Results and discussions

我们现在通过四个具有代表性的算例展示所提出框架模拟复合材料典型损伤机制的能力，每个算例均与现有的实验或数值结果进行了验证。在第4.1节中，我们模拟了双悬臂梁（DCB）中界面裂纹的扩展。第4.2节研究了裂纹是穿透界面相对侧还是沿界面发生偏转。在第4.3节中，我们分析了一个从界面拐折的裂纹。

Conclusions

本研究提出了一个鲁棒的离散化框架，通过在虚拟单元法（VEM）公式中耦合相场法和内聚力模型来模拟复合结构中的失效。相场模型用于捕捉基体断裂，而内聚力模型则用于表征界面脱粘。通过四个基准问题，并与实验和数值结果进行对比验证，证明了所提出框架的性能和通用性。