Application of XFEM using only Heaviside step function to nonlinear structural analyses

• Project/Area Number: 15K04761
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Computational science
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: NAGASHIMA Toshio 上智大学, 理工学部, 教授 (10338436)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 末益 博志 上智大学, 理工学部, 教授 (20134661)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2017: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 計算力学 / 拡張有限要素法 / き裂進展解析 / 弾塑性解析 / 損傷進展解析 / 結合力モデル / き裂 / 非線形有限要素法

Outline of Final Research Achievements

The extended finite element method (XFEM) using only Heaviside step function to model discontinuity of displacement field was applied to nonlinear structural analyses. Both three-dimensional 8-node hexahedral and 6-node pentahedral solid finite elements enriched with only Heaviside step function were formulated and the proposed method was implemented to the analysis software. The method was validated through elastic plastic analyses of a cracked metallic plate under uniform tensile load and damage propagation analyses of a CFRP specimen with an open hole under tension load.

Research Products

• [Journal Article] Numerical simulation of progressive damage and failure in composite laminates using XFEM/CZM coupled approach (2017)
  • Author(s): R. Higuchi, T. Okabe, T. Nagashima
  • Journal Title: Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume: 95 Pages: 197-207
  • DOI: 10.1016/j.compositesa.2016.12.026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 結合力モデルを用いた準三次元XFEMによるCFRP積層板の損傷進展解析 (2017)
  • Author(s): 島崎紗緒里，長嶋利夫
  • Journal Title: 日本計算工学会論文集 Volume: 20170008
  • NAID: 130006832406
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a damage propagation analysis system based on level set XFEM using the cohesive zone model (2016)
  • Author(s): Nagashima,T., Sawada, M
  • Journal Title: Computers and Structures Volume: 174 Pages: 42-53
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 面内および面外負荷下におけるCFRP積層板の損傷進展解析手法に関する検討 (2018)
  • Author(s): 宮脇雄大，長嶋利夫
  • Organizer: JCCM9
• [Presentation] 複合材料構造の強度評価のためのXFEMに基づく解析システムの開発 (2018)
  • Author(s): 長嶋利夫
  • Organizer: JCCM9
• [Presentation] 孔を有する複合材料構造を対象としたXFEMによるシェル構造解析手法の検証 (2018)
  • Author(s): 金内優介，長嶋利夫
  • Organizer: JCCM9
• [Presentation] 結合力モデルを用いた面内および面外負荷を受けるCFRP 積層板の損傷進展解析 (2018)
  • Author(s): 宮脇雄大，長嶋利夫
  • Organizer: 第23回計算工学講演会
• [Presentation] XFEMによる混合モード下におけるCFRP積層試験片のき裂進展解析 (2018)
  • Author(s): 角矢騎和，長嶋利夫
  • Organizer: 第23回計算工学講演会
• [Presentation] 準三次元XFEMによるCFRP擬似等方性積層板OHT試験片の損傷進展解析 (2017)
  • Author(s): 島崎紗緒里，長嶋利夫
  • Organizer: 第22回計算工学講演会
• [Presentation] 内製XFEMコードを用いた三次元き裂解析システムの開発とその精度評価 (2017)
  • Author(s): 長嶋利夫，石橋航
  • Organizer: 第22回計算工学講演会
• [Presentation] 面外荷重を受けるCFRP積層板の損傷進展解析手法に関する検討 (2017)
  • Author(s): 宮脇雄大，長嶋利夫
  • Organizer: 第22回計算工学講演会
• [Presentation] 準三次元XFEMによる複合材料積層板の面内・面外負荷下での損傷進展解析 (2017)
  • Author(s): 樋口諒，岡部朋永，長嶋利夫
  • Organizer: 第22回計算工学講演会
• [Presentation] Development of a three-dimensional crack analysis system using XFEM and its accuracy evaluation (2017)
  • Author(s): Nagashima, T.
  • Organizer: USNCCM14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Fatigue Crack Propagation Behavior Crossing Interface in Cladded Plates Using XFEM (2017)
  • Author(s): Ｎagai, M. , Murai, K,, Nagashima, T, Miura, N.
  • Organizer: ASME/PVP2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Analysis System based on XFEM to Evaluate Strength of Composite Structures (2017)
  • Author(s): Nagashima, T.
  • Organizer: 2nd-SEAJCCM
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Progressive Damage Analysis of CFRP Laminates under In-Plane and Out-of-Plane Loading Conditions Using XFEM/CZM Coupled Approach (2017)
  • Author(s): Higuchi, R., Okabe, T., Yoshimura, A., Nagashima, T.
  • Organizer: 20th International Conference on Composite Structures
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 結合力モデルを用いた面外負荷下におけるCFRP積層板の損傷進展解析, (2017)
  • Author(s): 宮脇雄大，長嶋利夫
  • Organizer: 第30回計算力学講演会
• [Presentation] 複合材性航空機構造の計算機援用仮想試験へ向けた準三次元XFEM解析ツール開発 (2017)
  • Author(s): 樋口諒，岡部朋永，吉村彰記，長嶋利夫
  • Organizer: 第30回計算力学講演会
• [Presentation] XFEMによる自由表面を有する薄肉構造物の幾何学的非線形解析 (2017)
  • Author(s): 長嶋利夫，金内優介
  • Organizer: 第30回計算力学講演会
• [Presentation] Development of stress analysis system using XFEM and its application to composite laminate (2017)
  • Author(s): Nagashima, T.
  • Organizer: COMPSAFE 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] XFEM Analysis of Progressive Damage and Failure in CFRP Laminates under In-Plane and Out-of-Plane Loading Conditions (2017)
  • Author(s): Higuchi, R., Okabe, T., Yoshimura, A., Nagashima, T.
  • Organizer: American Society for Composites (ASC) 32nd Annual Technical Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] XFEMを用いた自由表面を有する薄肉構造物の応力解析 (2016)
  • Author(s): 長嶋利夫，金内優介
  • Organizer: 第29回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-09-22
• [Presentation] 結合力モデルを用いた準三次元XFEMによるCFRP積層板の損傷進展解析 (2016)
  • Author(s): 島崎紗緒里，長嶋利夫
  • Organizer: 第29回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-09-22
• [Presentation] 横荷重を受けるCFRP積層板の損傷進展解析手法に関する検討 (2016)
  • Author(s): 宮脇雄大，長嶋利夫
  • Organizer: 第29回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2016-09-22
• [Presentation] 結合力モデルを用いたCFRP積層板の動的陽解法による損傷進展解析 (2016)
  • Author(s): 宮脇雄大，長嶋利夫
  • Organizer: 第58回構造強度に関する講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-08-04
• [Presentation] XFEMによるシェル構造解析手法の開発(第１部解析手法) (2016)
  • Author(s): 長嶋利夫
  • Organizer: 第58回構造強度に関する講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-08-04
• [Presentation] XFEMによるシェル構造解析手法の開発(第2部解析結果の評価) (2016)
  • Author(s): 金内優介，長嶋利夫
  • Organizer: 第58回構造強度に関する講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-08-04
• [Presentation] Mesh-independent Modelling of Progressive Damage and Failure in Laminated Composite Materials (2016)
  • Author(s): Higuchi, R., Okabe T., Yoshioka K., Nagashima, T.
  • Organizer: WCCM XII & APCOM VI
  • Place of Presentation: COEX （Seoul, Korea）
  • Year and Date: 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Damage propagation analyses of CFRP laminate using quasi-3D explicit XFEM (2016)
  • Author(s): Shimazaki, S, Nagashima, T.
  • Organizer: WCCM XII & APCOM VI
  • Place of Presentation: COEX （Seoul, Korea）
  • Year and Date: 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Benchmark Analysis for Ductile Fracture Simulation-Description of Problems and Comparison of Results- (2016)
  • Author(s): Miura, N., Kumagai, T., Kikuchi, M., Takahashi, A., Kim, Y. J., Nagashima, T., Wada Y.
  • Organizer: WCCM XII & APCOM VI
  • Place of Presentation: COEX （Seoul, Korea）
  • Year and Date: 2016-07-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Benchmark Analysis for Ductile Fracture Simulation ?Crack Propagation Analysis using Elastic-plastic XFEM (2016)
  • Author(s): Nagashima, T., Murai, K.
  • Organizer: WCCM XII & APCOM VI
  • Place of Presentation: COEX （Seoul, Korea）
  • Year and Date: 2016-07-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Ductile Crack Propagation Behavior for Subsurface Cracks in Cladded Plates Using XFEM (2016)
  • Author(s): Nagai, M. , Murai, K,, Nagashima, T, Miura, N.
  • Organizer: ASME/PVP2016
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Vancouver (Vancouver, BC, Canada)
  • Year and Date: 2016-07-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三角形二次要素を用いたXFEMによる二次元き裂解析 (2016)
  • Author(s): 長嶋利夫，澤田昌孝
  • Organizer: 第21回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-05-31
• [Presentation] CFRP積層板の損傷進展解析における計算条件に関する検討 (2016)
  • Author(s): 宮脇雄大，長嶋利夫
  • Organizer: 第21回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-05-31
• [Presentation] 準三次元XFEMを用いた動的陽解法によるCFRP積層板の損傷進展解析 (2016)
  • Author(s): 島崎紗緒里，長嶋利夫
  • Organizer: 第21回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-05-31
• [Presentation] X-FEMを用いた複合材料積層板の損傷進展および破壊に関する数値シミュレーション (2016)
  • Author(s): 樋口諒，岡部朋永，長嶋利夫
  • Organizer: 第21回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-05-31
• [Presentation] 三次元き裂解析における内製XFEMコードの精度評価 (2016)
  • Author(s): 高濱菜摘，長嶋利夫
  • Organizer: 第21回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2016-05-31
• [Presentation] XFEMによるクラッド付き平板の疲労き裂進展解析 (2015)
  • Author(s): 村井公則，長嶋利夫,永井政貴,三浦直樹
  • Organizer: 材料力学カンファレンスM＆M2015
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学（横浜市）
  • Year and Date: 2015-11-21
• [Presentation] ヘビサイド関数だけを拡充した三次元き裂先端要素を用いたXFEM解析 (2015)
  • Author(s): 村井公則，長嶋利夫
  • Organizer: 第28回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学（横浜市）
  • Year and Date: 2015-10-11
• [Presentation] 準三次元XFEMを用いたCFRP積層板の損傷進展解析 (2015)
  • Author(s): 島崎紗緒里，長嶋利夫
  • Organizer: 第28回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学（横浜市）
  • Year and Date: 2015-10-11
• [Presentation] Application of XFEM using CZM to fracture analyses of CFRP composite laminate (2015)
  • Author(s): Nagashima. T.
  • Organizer: SEAJCCM
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2015-09-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a damage propagation analysis system based on XFEM using CZM and application to fracture problems (2015)
  • Author(s): Nagashima. T., Sawada, M.
  • Organizer: XDMS2015
  • Place of Presentation: Ferrara, Italy
  • Year and Date: 2015-09-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] XFEMによるCFRP積層板の損傷進展解析 (2015)
  • Author(s): 長嶋利夫
  • Organizer: 第57回構造強度に関する講演会
  • Place of Presentation: 岡山理科大学（岡山市）
  • Year and Date: 2015-08-07
• [Presentation] Fatigue crack propagation analysis by three-dimensional XFEM considering penetration behavior (2015)
  • Author(s): Nagashima, T., Murai, K.
  • Organizer: 13th U.S. National Congree on Computational Mechanics (USNCCM13)
  • Place of Presentation: San Diego, CA ,USA
  • Year and Date: 2015-07-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘビサイド関数だけを拡充したき裂先端要素を用いたXFEMによる三次元き裂解析 (2015)
  • Author(s): 長嶋利夫，村井公則
  • Organizer: 第20回計算工学講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（つくば市）
  • Year and Date: 2015-06-09
• [Presentation] 貫通挙動を考慮した三次元XFEMによる疲労き裂進展解析 (2015)
  • Author(s): 村井公則，長嶋利夫
  • Organizer: 第20回計算工学講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（つくば市）
  • Year and Date: 2015-06-09