Modeling crack initiation and propagation in brittle materials is of great importance to be able to predict sudden loss of load-carrying capacity and prevent catastrophic failure under severe dynamic loading conditions. Second-order phase-field fracture models have gained wide adoption given their ability to capture the formation of complex fracture patterns, e.g. via crack merging and branching, and their suitability for implementation within the context of the conventional finite element method. Higher-order phase-field models have also been proposed to increase the regularity of the exact solution and thus increase the spatial convergence rate of its numerical approximation. However, they require special numerical techniques to enforce the necessary continuity of the phase field solution. In this paper, we derive a fourth-order phase-field model of fracture in two independent ways; namely, from Hamilton's principle and from a higher-order micromechanics-based approach. The latter approach is novel, and provides a physical interpretation of the higher-order terms in the model. In addition, we propose a continuous/discontinuous Galerkin (C/DG) method for use in computing the approximate phase-field solution. This method employs Lagrange polynomial shape functions to guarantee $C^0$-continuity of the solution at inter-element boundaries, and enforces the required $C^1$ regularity with the aid of additional variational and interior penalty terms in the weak form. The phase-field equation is coupled with the momentum balance equation to model dynamic fracture problems in hyper-elastic materials. Two benchmark problems are presented to compare the numerical behavior of the C/DG method with mixed finite element methods.


翻译:模拟裂缝启动和传播易碎材料对于能够预测装载能力突然丧失并防止在剧烈动态装载条件下发生灾难性故障非常重要。二级阶段场断裂模型由于能够捕捉复杂的断裂模式的形成,例如通过裂裂变合并和分流,并适合在常规有限元素方法范围内实施,因此获得极大的重要性。还提议了较高级阶段模型,以提高精确解决方案的规律性,从而提高其数字近似的空间趋同率的空间趋同率。然而,它们需要特殊的数字技术来强制实施阶段实地解决方案的必要连续性。在本文中,我们以两种独立的方式产生了四级场断裂模式;即从汉密尔顿原则和以更高级微机械为基础的方法,并适合在常规有限元素方法范围内实施。后一种方法是新颖的,并提供了对模型中较高级条件的物理解释。此外,我们提议了一种持续/不稳定的 Galerkin (C/DG) 方法,用于计算大约阶段解决方案的必要连续性。在这个方法中,以固定平方平方平方平面平面平面平面的平面平面平面平面平面平面平面平面平面平面法中,该方法使用Laxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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