近日，我校机械工程学院青年教师黄宇劼、张慧在基于光滑有限元的准脆性损伤相场数值计算方法上做出了重要突破，在确保计算精度的同时，大幅度提高了细观混凝土非线性断裂模拟的计算效率。该研究成果以“A phase-field cohesive zone model integrated with cell-based smoothed finite element method for quasi-brittle fracture simulations of concrete at mesoscale”为题发表在计算力学领域的顶级期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》(中科院一区TOP，IF：6.756)。该期刊由美国科学院、美国工程院、美国艺术与科学院三院院士、计算力学国际权威专家、等几何分析发明人Thomas J.R. Hughes担任主编，致力于发表流体力学、材料力学、固体与结构力学等计算力学领域的前沿成果。该研究是我校机械工程学院在计算力学领域与国际积极开展合作交流的最新成果。
我校黄宇劼老师为第一作者、张慧老师为第一通讯作者，所在科研团队为“中北大学智能装备与深孔加工实验室”。武汉大学土木建筑工程学院杨贞军教授为合作作者，印度马德拉斯理工学院机械工程系Natarajan Sundararajan副教授为第二通讯作者。
该研究提出了一种新颖的子单元光滑有限元(CSFEM)与准脆性损伤相场(PFCZM)结合的高效算法CSFEM-PFCZM，用于分析细观混凝土的断裂力学行为：CSFEM结合了无网格法中的光滑应变技术，在同等网格下较传统有限元(FEM)具有更高的计算精度，并且能够使用任意多边形进行非常灵活的求解域离散；PFCZM由华南理工大学吴建营教授提出，在计算裂缝相交、分叉、曲折扩展等复杂路径时具有独特优势。该研究采用四叉树自动分解技术对基于CT图像的混凝土真实细观结构进行离散，并在各相材料边界处进行网格自适应过渡，由此产生的带有悬节点的四叉树单元可直接作为CSFEM多边形单元，并且CSFEM-PFCZM中的位移场和损伤场均由Wachspress形函数和光滑应变矩阵进行直接构造。该研究相比于传统的FEM-PFCZM能够显著提高多相复材多尺度非线性断裂的计算效率，受到CMAME主编与审稿人一致好评，认为论文立意新颖，推进了准脆性损伤相场理论的应用发展。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cma.2022.115074
