Adaptive numerical integration of exponential finite elements for a phase field fracture model

  • Phase field models for fracture are energy-based and employ a continuous field variable, the phase field, to indicate cracks. The width of the transition zone of this field variable between damaged and intact regions is controlled by a regularization parameter. Narrow transition zones are required for a good approximation of the fracture energy which involves steep gradients of the phase field. This demands a high mesh density in finite element simulations if 4-node elements with standard bilinear shape functions are used. In order to improve the quality of the results with coarser meshes, exponential shape functions derived from the analytic solution of the 1D model are introduced for the discretization of the phase field variable. Compared to the bilinear shape functions these special shape functions allow for a better approximation of the fracture field. Unfortunately, lower-order Gauss-Legendre quadrature schemes, which are sufficiently accurate for the integration of bilinear shape functions, are not sufficient for an accurate integration of the exponential shape functions. Therefore in this work, the numerical accuracy of higher-order Gauss-Legendre formulas and a double exponential formula for numerical integration is analyzed.

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Verfasser*innenangaben:Darius Olesch, Charlotte Kuhn, Alexander Schlüter, Ralf Müller
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-78090
DOI:https://doi.org/10.1007/s00466-020-01964-5
ISSN:1432-0924
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Computational Mechanics
Verlag:Springer Nature - Springer
Dokumentart:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache der Veröffentlichung:Englisch
Datum der Veröffentlichung (online):14.03.2024
Jahr der Erstveröffentlichung:2021
Veröffentlichende Institution:Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau
Datum der Publikation (Server):14.03.2024
Ausgabe / Heft:67
Seitenzahl:11
Erste Seite:811
Letzte Seite:821
Quelle:https://link.springer.com/article/10.1007/s00466-020-01964-5
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Sammlungen:Open-Access-Publikationsfonds
Lizenz (Deutsch):Zweitveröffentlichung