预测 3D 裂缝的复杂扩展

裂缝扩展在不同的时间和空间尺度上普遍存在。例如花瓶破裂、机器零件疲劳裂纹以及强烈留下的疤痕。由于 3D 裂缝扩展发生迅速且裂缝形状复杂，理解 3D 裂缝扩展具有挑战性。

在《岩石力学通报》杂志上发表的一项研究中，香港大学和麻省理工学院 (MIT) 的两位研究人员开发了一种先进的算法来模拟复杂载荷条件下的 3D 裂缝扩展，为更好地理解铺平了道路以及裂缝扩展的控制。

“理解 3D 裂缝扩展的关键是揭示裂缝几何形状如何响应远场载荷，”麻省理工学院博士后研究员、该研究的合著者 Xin Cui 解释道。 “通过利用断裂力学知识，我们能够将远场载荷转换为近断裂前应力，这在确定断裂形状方面发挥着主导作用。然而，断裂的扭曲 3D 几何形状给数值模拟器带来了巨大的挑战。 ”

为了解决这个问题，研究人员将断裂力学应用到他们的开源代码 DDFS 3D中。 Cui 解释说：“DDFS 3D擅长用三角形元素捕获复杂的 3D 几何形状，并精确计算裂缝前沿附近的应力场。这使我们能够精确定位每一个新裂缝表面的位置，并在扩展后重建整个裂缝形状。 ”

该研究的主要作者、香港大学工程地质学教授 Louis Wong 表示，这是岩石力学领域的一项突破。 “断裂显着影响脆性材料的强度。这项研究的意义不仅在于了解断裂几何形状如何响应载荷，还在于提供关于如何控制断裂发展的见解，”他说。

“在许多工程应用中，例如水力压裂，必须仔细设计裂缝的方向，以提高生产率并降低潜在风险。这项研究开发的技术有助于实现这些目标。”