A three-dimensional FEM–DEM technique for predicting the evolution of fracture in geomaterials and concrete

Abstract

This paper extends to three dimensions (3D) the computational technique developed by the authors in 2D for predicting the onset and evolution of fracture in a finite element mesh in a simple manner based on combining the finite element method (FEM) and the discrete element method (DEM) approach [23]. Once a crack is detected at an element edge, discrete elements are generated at the adjacent element vertexes and a simple DEM mechanism is considered in order to follow the evolution of the crack. The combination of the DEM with simple 4noded linear tetrahedron elements correctly captures the onset of fracture and its evolution, as shown in several 3D examples of application.

A simple FEM–DEM technique for fracture prediction in materials and structures

“…(12) and (13) to the 3D case can be seen in [23,31]. Some interesting facts are derived from this approach.…”

“…(14) for each three meshes (coarse to fine) were 10587 Pa, 10506 Pa and 10481 Pa, respectively, which yield a maximum of 5% error versus the expected value of f t = 10 KPa. The same example with identical geometry and mechanical propertities was solved in 3D using an extension of the FEM-DEM technique presented in this work [31]. Three meshes were used with 9338, 31455 and 61623 4-noded linear tetrahedra.…”

Predicción de fracturas en estructuras de hormigón combinando los métodos de elementos finitos y de elementos discretos

“…Dichos enlaces interelementales pueden interpretarse como las conexiones entre una colección de elementos discretos que reemplazarían los nodos de la malla de elementos finitos. Esta analogía es el punto de partida de la técnica FEM-DEM [9,10].…”

“…El enfoque seguido en este trabajo utiliza el FEM para modelar la estructura mediante elementos de sólido (2D o 3D), cuya eventual fractura se describe mediante el DEM. En trabajos previos de la técnica FEM-DEM hemos utilizado el sencillo triángulo de 3 nodos en 2D y el tetraedro de 4 nodos en 3D [9,10].…”

“…Tras ello se utiliza una técnica de eliminación de los elementos finitos dañados y se introducen elementos discretos en los labios de las fisuras [6][7][8]. La denominada técnica FEM-DEM se ha utilizado con éxito en 2 y 3 dimensiones [9,10] para estudiar el comportamiento no lineal y el fallo de estructuras de hormigón y mampostería bajo diferentes solicitaciones cuasi-estáticas y dinámicas.…”