Variational phase-field models of brittle fracture pose a local constrained minimization problem of a non-convex energy functional. In the discrete setting, the problem is most often solved by alternate minimization, exploiting the separate convexity of the energy with respect to the two unknowns. This approach is theoretically guaranteed to converge, provided each of the individual subproblems is solved successfully. However, strong non-linearities of the energy functional may lead to failure of iterative convergence within one or both subproblems. In this paper, we propose an exact line search algorithm based on bisection, which (under certain conditions) guarantees global convergence of Newton's method for each subproblem and consequently the successful determination of critical points of the energy through the alternate minimization scheme. Through several benchmark tests computed with various strain energy decompositions and two strategies for the enforcement of the irreversibility constraint in two and three dimensions, we demonstrate the robustness of the approach and assess its efficiency in comparison with other commonly used line search algorithms.


翻译:脆性断裂的变分相场模型提出了一个关于非凸能量泛函的局部约束最小化问题。在离散化背景下,该问题通常通过交替最小化方法求解,利用能量关于两个未知量的各自凸性。理论上,只要每个子问题被成功求解,该方法可保证收敛。然而,能量泛函的强非线性可能导致一个或两个子问题内的迭代收敛失败。本文提出了一种基于二分法的精确线搜索算法,该算法(在一定条件下)能保证每个子问题中牛顿法的全局收敛性,从而通过交替最小化方案成功确定能量的临界点。通过采用多种应变能分解策略及二维与三维中不可逆约束的两种实施策略进行基准测试,我们验证了该方法的鲁棒性,并与其他常用线搜索算法比较评估了其效率。

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