长度尺度无关性的黏性相场界面模型：用于锂离子电池材料的并联体积与界面裂纹仿真
材料科学
2024-07-31 v1
摘要
本文提出一种新的黏性相场（CPF）界面裂纹模型，基于相场理论的欧拉-拉格朗日方程以及相场理论中界面裂纹能与黏性区模型中定义的经典裂纹表面能之间的关系。该模型采用指数函数对体相与界面之间的裂纹能进行插值，同时以一种方式推导有效界面裂纹能 \tilde{G}_i，使得通过相场模型在扩散界面区域内的积分裂纹能，保持与黏性区模型中定义的锐利界面裂纹能 G_i 的一致性。正是这种一致性确保了数值结果对于长度尺度参数（特别是正规化的界面厚度 L 和正规化的裂纹表面厚度 b）的选择不敏感。通过这种能量一致性检验，本文回顾了文献中各种 CPF 界面模型。除了长度尺度无关性外，所提出的 CPF 界面模型还具有进一步的优势。由于指数插值函数可方便地从阿�森-钱恩方程的松弛解中获得，所提出的 CPF 模型在处理包含复杂界面拓扑结构的结构方面具有更大的灵活性。为证明这一优势并检验在多物理场情境下的长度尺度无关性，本文进一步采用所提出的 CPF 界面模型推导与锂离子电池材料相关的热力学一致的化学-力学模型。来自图像分割重建的多晶体电极粒子中并联的体积与界面裂纹的有限元仿真结果确认了预期的计算优势以及在化学-力学情境下的长度尺度无关性。
引用
@article{arxiv.2407.20259,
title = {A length-scale insensitive cohesive phase-field interface model: application to concurrent bulk and interface fracture simulation in Lithium-ion battery materials},
author = {Wan-Xin Chen and Xiang-Long Peng and Jian-Ying Wu and Orkun Furat and Volker Schmidt and Bai-Xiang Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2407.20259},
year = {2024}
}