应力强度因子分析的三角形Williams单元

弹性断裂分析的Williams广义参数单元计算模型中忽略了紧邻裂尖的微区域,为了进一步完善该计算模型,本文提出并建立了三角形Williams单元。首先围绕裂尖将奇异区均匀分割为有限个三角形单元,利用改进的Williams级数建立该单元的整体位移场计算模型;其次沿径向将该三角形单元进一步离散为多个相似四边形微单元和裂尖三角形微单元,并利用经典有限元理论建立微单元的局部位移场计算模型;然后利用整体位移场控制各微单元结点位移,并在此基础上研究建立裂尖奇异区三角形Williams单元及其控制方程。该单元模型中含有与裂尖应力强度因子相关的参数,能够直接计算裂尖处的应力强度因子。最后结合算例详细分析了三角形Williams单元计算模型中径向离散因子、离散数、Williams级数项对计算结果的影响。算例分析表明,三角形Williams单元所得的应力强度因子具有对奇异区尺寸不敏感的优点,且收敛快,计算精度高。     

断裂问题分析的Williams广义参数单元

结合Ⅱ型断裂问题.研究建立了裂尖区应力强度因子计算的Williams广义参数单元和过渡单元.结合Williams级数解和广义参数有限元法,研究建立了弹性断裂问题的Williams广义参数单元计算格式;同时为了方便连接奇异区的Williams单元和常规区域的普通等参单元,建立了过渡单元模型.结合算例详细分析了计算模型中径向高散因子、离散数以及Williams级数项对计算结果的影响,并给出了建议值,同时研究了矩形板尺寸对Ⅱ型应力强度因子的影响.证实了解析解的局限性.计算结果表明,由于Williams单元位移模型中含有与应力强度因子直接相关的参数,所以可以避免传统有限元法需通过其他物理量间接计算应力强度因子的缺陷,且Williams单元具有较高的精度,构造使用方便.     

齿轮参数对三维裂纹应力强度因子影响的研究

建立了齿轮三维精确三齿模型,结合线弹性疲劳力学和边界元方法,运用专业断裂分析软件FRANC3D对齿轮齿根裂纹进行了数值分析,模拟求解了齿根椭圆形裂纹的裂尖三种类型的应力强度因子,并且探讨了三种应力强度因子随载荷、裂纹长度、模数、齿数、变位系数、裂纹角度等齿轮参数的变化规律。结果表明:I型、II型应力强度因子的数值在裂纹前缘呈近似于抛物线分布,而III型应力强度因子的数值在裂纹前缘呈近似于正弦曲线分布;应力强度因子随齿面载荷的变化呈线性规律;模数对裂纹两端的II型应力强度因子、裂纹中间的I型和III型应力强度因子影响较小,基本不变;齿数对应力强度因子影响较小,其在不同齿数下的最大差值仅为187 N.m-3/2;变位系数对其影响基本也呈线性变化;裂纹发生角度为60°时,I型应力强度因子比其它角度下的值都要大,因此应尽量避免产生此角度下的裂纹。本文研究为齿轮的断裂分析和寿命预测奠定了一定的基础。     

缺陷孔对平面裂纹应力强度因子的影响

带有裂纹和缺陷孔洞的板的问题是一个多连域的边值问题，这类问题适合用边界元法所具有的高精度特性来求解．采用子域边界元法，在平面应变的条件下对存在中心裂纹的平面板受远处拉伸和剪切裁荷的作用进行了数值分析．研究了圆形孔洞对Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的影响，与有限元法进行了对比，求解结果更加精确．计算了椭圆形孔对Ⅰ型应力强度因子的影响，得到了一些有意义的结果，并对移动接触弹性体作用下的带裂纹板进行了钻孔研究．     

三维裂纹体应力强度因子的计算

本文采用塌缩三棱柱形奇异单元的位移计算应力强度因子，给出了一个新的全三维外推公式，它是Ｃｈｅｎ和Ｋｕａｎｇ公式〔１３〕的全三维推广，特例证明，它的精度比Ｉｎ－ｇｒａｆｆｅａ和Ｍａｎｕ的公式〔８〕高一阶。数值计算表明，结果稳定和对单元尺寸改变不敏感     

求解混合型裂纹应力强度因子的围线积分法

本文用复变函数理论推导出裂纹的辅助场，并用Betti功互等定理给出求解混合型裂纹应力强度因子的远场围绕积分法．此方法与积分路径的选择无关，用有限元法计算出远离裂纹尖端的位移场和应力场，就可通过计算绕裂端的围线积分，精确地给出混合型裂纹的应力强度因子KⅠ和KⅡ的数值解．     

广义扩展有限元法及其在裂纹扩展分析中的应用

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM)。阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实施中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序。通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程。算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度。     

周期界面裂纹反平面问题的动态应力强度因子

在研究动载荷作用下复合材料层板结构的安全与可靠性问题以及在抗震设计中关于地层裂缝的运动等问题中,都与界面裂纹有关。本文研究了分布于两个半空间之间的周期界面裂纹在反平面剪切波作用下裂纹尖端应力强度因子的动态特性。文中利用有限 Pourier变换,将在一个周期带内的边值问题转化成求解一个带周期性奇异核的积分方程,再借助于Chebyshev 多项式求得问题的级数解,最后分析了应力场在裂纹尖端的奇异性,得到了裂纹尖端动态应力强度因子的计算公式,并通过数值计算给出了应力强度因子随入射波频率变化的特性曲线。     

利用边界单元法求平面问题应力强度因子K_I的应力-位移杂交法

本文提出用裂尖附近2点或3点的应力和位移计算应力强度因子K_I的杂交方法.这种方法充分利用了边界单元法的计算结果,考虑了裂尖应力场和位移场渐近展开式的高阶项,使用远离裂尖的点算出的K_I也有较好的精度,拟合线十分平坦.用算例的结果将杂交法与一般的位移法和应力法进行了比较,同时,对常量单元和线性单元也进行了比较.     

带旋转自由度的精化非协调平面四边形等参元

对于C~1类不协调元文[1]提出了一种精比直接刚度法。本文进一步将其应用到C~0类问题,建立一种带旋转自由度的不协调平面四边形单元,其协调部分是用人Allman插值法建立的单元函数,不协调部分用了四个内部自由度。该单元能保证通过分片试验,保持了单变量有限元列式简单、性能可靠(无多余零能模式及坐标不变性)等长处,同时,还具备多变量有限元(杂交/拟协调元)高精度的优点。算例表明,本文提出的单元收敛、可靠、高精度且高效率。     

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视.界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性.因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的.论文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响.运用弹性力学中的Goursat公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数.通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子.计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定.分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考.     

求解含钝裂纹体应力场的扩展单元方法

本文基于钝裂纹端部位移场的渐近解和等参元构造方法,开发了一种新的适合钝裂纹端部应力场计算的扩展单元法,为了消除不同单元间的位移不协调又在扩展单元的基础上提出过渡单元.和常规的等参元相比,扩展单元除了以节点位移为待求未知量外,它们额外增加了Ⅰ型和Ⅱ型广义应力强度因子作为未知量.根据这个理论我们编制了有限元的程序并计算了算例,算例表明,在网格较大的情况下,与常规等参元计算方案相比,扩展单元和过渡单元法更好地接近理论值,它具有计算精度高、减少缺陷附近的单元数量和计算时间等优点.     

双材料界面裂纹应力强度因子的边界元分析

采用双材料基本解建立边界元法基本方程,计算双材料界面裂纹尖端附近的应用力和位移场。不离散界面,并设置面力奇异四分之一点裂尖单元以提高计算精度。数值结果表明,本文的方法具有较高的精度和效率。     

一种计算三维裂纹应力强度因子的新方法

构造了一种新的三维奇异单元,提出了一种有效计算三维裂纹应力强度因子新的数值方法。该方法的计算结果与理论解和Newman解结果一致;与Panson等方法相比所使用的自由度数大大减小。结果表明该方法是一种高效、稳定可靠的计算方法。     

正交各向异性平面断裂问题应力强度因子的边界元解法

本文研究单向复合材料或正交各向异性体平面断裂问题,构造了一个1/4节点混合参数应力奇异边界元,综合运用该元素与1/4节点等参边界元,提出了求解应力强度因子的混合边界元解法,用所述方法计算了含中心裂纹无限大与有限大正交各向异性板的应力强度因子,算例表明,本文所述方法不仅计算精度高,而且适应性强,便于工程应用。     

高炉炉壳开孔位置对应力集中的影响

考虑到冶金行业中高炉炉壳开孔的实际情况，本文应用有限元分析的方法研究受远场均匀拉伸载荷，二维有限区域内菱形分布的圆孔中间不同开孔位置下的应力分布，得到最大应力集中系数随孔位置变化的三维变化曲面。此外，孔沿座标轴及沿原孔边缘位置变化对应力集中系数的影响被详细研究，从而为合理设计炉壳开孔提供了理论依据。     

基于应力比值法的V形切口应力强度因子分析

本文基于有限元分析技术建立了一种应力比值方法,用于计算V形切口的应力强度因子。该方法不需要在V形切口尖端采用反映应力奇异性的奇异单元。求解时,首先给定参考问题的广义应力强度因子,然后利用待求问题的应力值与参考问题的应力值之间的比值来求解待求问题的广义应力强度因子。算例采用切口尖端应力方法分析了平板的V形切口问题。计算结果表明,该方法计算精度较高,能够方便地用于求解相关的工程问题。