[发明专利]一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法

权利要求书

1.一种基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法，其特征在于：利用高阶有限元法计算出具有较高精度的混凝土重力坝应力场和位移场，进而得出高精度的应力强度因子及相当应力强度因子，最后获得相对准确的混凝土重力坝裂纹扩展路径，包括以下步骤：

步骤1、确定混凝土重力坝工程模型的几何尺寸，并创建混凝土重力坝的有限元模型；

步骤2、确定初始裂纹的位置及初始裂纹的长度，并将初始裂纹创建在混凝土重力坝有限元模型上；

步骤3、设置初始开裂方向、初始开裂位置及开裂步长；

步骤4、设置插值多项式阶数及循环次数；

每一次循环自动划分网格来进行混凝土重力坝裂纹扩展路径分析，得到每一循环步裂尖的应力强度因子，并求出相当应力强度因子，将相当应力强度因子和混凝土断裂韧度相比较，相当应力强度因子大于断裂韧度的循环步为有效循环，其余循环步舍去，判断有效循环步最后一步相当应力强度因子与混凝土断裂韧度之差是否在误差允许范围内，若不在误差允许范围内，则返回步骤3调小开裂步长并增大循环次数，继续进行计算；

所述步骤4具体包括以下几步：

步骤4.1、对插值多项式阶数和循环次数进行假定，其中插值多项式阶数为1～8；

步骤4.2、通过确定了插值多项式阶数的高阶有限元法计算得到含裂纹混凝土重力坝第一次循环的位移场和应力应变场，并且得到裂纹扩展角；

步骤4.3、利用围线积分法导出每一次循环的应力强度因子K_I和K_II；

步骤4.4、计算得到第一次循环的相当应力强度因子应力强度因子K_I与K_II可以通过围线Γ₂，Γ₃及Γ₄上的线积分计算获得：

式中：分别表示Ⅰ型与Ⅱ型应力强度因子的导出函数，与分别表示由与导出的牵引力向量；

步骤4.5、通过裂纹扩展角和裂纹扩展步长完成裂纹扩展第一步循环；

步骤4.6、开始第二步循环，重复步骤4.2至步骤4.6，完成裂纹扩展第二步循环，以此类推，直到完成所有循环次数，将所有计算得到的每一步循环的相当应力强度因子依次与混凝土断裂韧度对比；

若所有循环步的相当应力强度因子均大于混凝土断裂韧度对比，则增大循环次数，返回步骤4.1，若存在某些循环步的相当应力强度因子小于混凝土断裂韧度，则找出最接近且大于混凝土断裂韧度的那一步的相当应力强度因子，求得该步相当应力强度因子和混凝土断裂韧度的相对误差，看相对误差是否满足工程精度要求，如果满足，则裂纹扩展完成，如果不满足且相对误差与工程精度要求相差较小，则可尝试增大插值多项式阶数重复上述计算，如果不满足且相对误差与工程精度要求相差较大，则减小裂纹扩展步长并增大循环次数，减小后的裂纹扩展步长与增大后的循环次数的乘积应大于相当应力强度因子最接近且大于混凝土断裂韧度的那一步的循环步数与减小前的裂纹扩展步长的乘积，再重复上述步骤，直至满足工程精度要求。

2.根据权利要求1所述的基于高阶有限元法获取混凝土重力坝裂纹扩展路径的模拟计算方法，其特征在于：所述步骤1包括混凝土重力坝几何模型的建立，混凝土材料参数的设置，载荷及边界条件的施加。