与界面垂直相交V形切口的边界元分析方法

建立了边界元法计算各向同性结合材料中与界面垂直相交V形切口奇异应力场的分析方法。首先将V形切口尖端附近区域的位移场和应力场用Williams渐近展开式表达,将其代入弹性力学基本方程中,由插值矩阵法获得应力奇异性指数及其对应的位移函数;然后在V形切口尖端区域挖取一个小扇形域,将该扇形区域的位移场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,并对挖去小扇形域后的剩余结构建立边界积分方程;最后将扇形区域位移场表达式和边界积分方程联合求出其切口尖端位移场的组合系数,从而获得各向同性结合材料中与界面垂直相交V形切口尖端的应力强度因子。本文的计算结果与现有结果对比吻合良好,表明了本文方法的有效性。     

V形切口应力强度因子的一种边界元分析方法

将V形切口结构分成围绕切口尖端的小扇形和剩余结构两部分. 尖端处扇形域应力场表示成关于尖端距离$\rho$的渐近级数展开式,从线弹性理论方程推导出了一组分析平面V形切口奇异性的常微分方程特征值问题,通过求解特征方程,得到前若干个奇性指数和相应的特征向量. 再将切口尖端的位移和应力表示为有限个奇性阶和特征向量的组合. 然后用边界元法分析挖去小扇形后的剩余结构. 将位移和应力的线性组合与边界积分方程联立,求解获得切口根部区域的应力场、应力幅值系数和整体结构的位移和应力. 从而准确计算出平面V形切口的奇异应力场和应力强度因子.      

扩展边界元法研究围压下巴西圆盘应力强度因子

建立了扩展边界元法,研究围压作用下巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子的新途径。首先在切口尖端区域挖取一微小扇形域,将该扇形区域的位移和应力场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,代入弹性力学控制方程,导出关于巴西圆盘切口应力奇性指数的常微分方程组特征值问题,运用插值矩阵法一次性计算出切口各阶应力奇性指数及其相应的位移特征角函数。再将位移和应力场的组合回代到在被挖去微小扇形域后的剩余结构内建立的边界积分方程,离散后求解出组合系数,同时获得巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子。数值计算结果表明:扩展边界元法计算纯围压作用下巴西裂纹圆盘应力强度因子的结果与解析解的相对误差不超过0.548%,证明了论文方法的有效性;还表明纯围压作用下,随着切口张角的增大,巴西圆盘应力强度因子逐渐由负值向正值转化。因此,纯围压作用下,巴西裂纹圆盘和小张角巴西切口圆盘是闭合的,而大张角巴西切口圆盘是I型劈裂破坏的。     

边界元法计算切口多重应力奇性指数

提出采用边界元法直接计算V形切口的多重应力奇性指数。首先在切口尖端挖出一微小扇形域,在该域边界列常规边界积分方程,后将扇形域内的位移场和应力场表示成关于切口尖端距离ρ的渐近级数展开式,回代入切口边界积分方程,离散后得到关于切口奇性指数的代数特征方程,从而求解获得V形切口的应力奇性指数。该法避免了常规边界元法和有限元法在切口尖端附近布置细密单元的缺陷,并可同时求得多阶应力奇性指数。     

三维切口/裂纹结构的扩展边界元法分析

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.      

ANALYSIS OF 3-D NOTCHED/CRACKED STRUCTURES BY USING EXTENDED BOUNDARY ELEMENT METHOD 1)

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.     

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。     

角度非均匀材料平面V形切口应力奇性分析

提出了一种确定角度非均匀材料平面V形切口尖端应力奇性指数的有效方法。首先,在弹性力学基本方程中引入V形切口尖端位移场的级数渐近展开,建立以位移为特征函数的变系数和非线性微分方程组。然后,采用微分求积法(DQM)求解微分方程组,可得到多阶应力奇性指数及其相对应的特征函数,该法具有公式简单、编程方便、计算量少和精度高等优点,可处理任意开口角度和任意材料组合的V形切口。典型算例验证了微分求积法的有效性和精确性。     

非奇异应力对中央含V形切口试样断裂性能的影响

采用Williams渐近展开式表达V形切口尖端附近区域的位移场和应力场,将其代入弹性力学基本方程中,应力奇异性指数及其对应的位移和应力角函数由求解常微分方程组获得。由于在远离切口尖端的区域无应力奇异性,将切口尖端应力奇异性区域移出后,应用边界元法分析无应力奇异性的剩余结构;将Williams渐近展开式与弹性力学边界积分方程结合,解出切口尖端附近应力奇异性区域的各应力场渐近展开项系数,从而获得切口尖端附近区域的完整应力场;基于此,研究了非奇异应力项对中央含V形切口试样的表观断裂韧度和临界荷载预测值的影响。结果表明:考虑非奇异应力项时,脆性断裂的表观断裂韧度和临界荷载的预测值要比忽略非奇异应力项时的预测值更接近实验值。     

V形切口问题应力强度因子的计算

本文讨论了V形切口问题的特征方程实根数与切口角度的关系;用边界配置法求得了四点剪切V形切口梁复合型应力强度因子的系列结果,并得到了计算K_Ⅰ,K_Ⅱ的经验公式;提出了用边界元法结合边界配置法以及用Muskhelishvili复应力函数法计算V形切口问题应力强度因子的方法,成功地计算了无限域中方孔凹角处的应力强度因子。     

A new boundary element approach of modeling singular stress fields of plane V-notch problems

In this paper, a new boundary element (BE) approach is proposed to determine the singular stress field in plane V-notch structures. The method is based on an asymptotic expansion of the stresses in a small region around a notch tip and application of the conventional BE in the remaining region of the structure. The evaluation of stress singularities at a notch tip is transformed into an eigenvalue problem of ordinary differential equations that is solved by the interpolating matrix method in order to obtain singularity orders (degrees) and associated eigen-functions of the V-notch. The combination of the eigen-analysis for the small region and the conventional BE analysis for the remaining part of the structure results in both the singular stress field near the notch tip and the notch stress intensity factors (SIFs).Examples are given for V-notch plates made of isotropic materials. Comparisons and parametric studies on stresses and notch SIFs are carried out for various V-notch plates. The studies show that the new approach is accurate and effective in simulating singular stress fields in V-notch/crack structures.     

扩展边界元法分析切口和裂纹结构应力场的准确性

在线弹性理论中,切口/裂纹结构尖端区域存在奇异应力场,数值方法不易求解。本文建立的扩展边界元法(XBEM)对围绕尖端区域位移函数采用自尖端径向距离 的渐近级数展开式表达,其级数项的幅值系数作为基本未知量,而外部区域采用常规边界元法离散方程。两者方程联立求解可获得切口和裂纹结构完整的位移和应力场。扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般的切口和裂纹结构应力场分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的应力场。作者研制了扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明扩展边界元法求解切口和裂纹结构应力场的准确性和有效性。     

插值矩阵法分析双材料平面V形切口奇异阶

对二维V形切口问题提出奇异阶分析的一个新方法.首先,以V形切口尖端附近位移场沿其径向渐近展开为基础,将其线弹性理论控制方程转换成切口尖端附近关于周向变量的常微分方程组特征值问题,然后将数值求解两点边值问题的插值矩阵法进一步拓展为求解一般常微分方程组特征值问题,插值矩阵法是在离散节点上采用微分方程中待求函数的最高阶导数作为基本未知量.由此,V形切口的应力奇性阶问题通过插值矩阵法获得,同时相应的切口附近位移场和应力场特征向量一并求出.     

METHOD TO CALCULATE STRESS INTENSITY FACTOR OF V-NOTCH IN BI-MATERIALS

Based on Zak＇s stress function, the eigen-equation of stress singularity ofbi-materials with a V-notch was obtained. A new definition of stress intensity factor for a perpendicular interfacial V-notch of bi-material was put forward. The effects of shear modulus and Poisson＇s ratio of the matrix material and attaching material on eigen-values were analyzed. A generalized expression for calculating/（i of the perpendicular V-notch of bi-materials was obtained by means of stress extrapolation. Effects of notch depth, notch angle and Poisson＇s ratio of materials on the singular stress field near the tip of the V-notch were analyzed systematically with numerical simulations. As an example, a finite plate with double edge notches under uniaxial uniform tension was calculated by the method presented and the influence of the notch angle and Poisson＇s ratio on the stress singularity near the tip of notch was obtained.     

Analysis on non-oscillatory singularity behaviors of mode Ⅱ interface crack tip in orthotropic bimaterial

The fracture behaviors near the mode Ⅱ interface crack tip for orthotropic bimaterial are studied. The non-oscillatory field, where the stress singularity exponent is a real number, is discussed by the complex function method and the undetermined coefficient method. From the research fracture problems, the stress functions with ten undetermined coefficients and an unknown singularity exponent are introduced when?_1 0 and ?_2 0. By the existence theorem of non-trival solutions for the system of eight homogeneous linear equations, the characteristic equation, the stress singularity exponent, and the discriminating condition of the non-oscillatory singularity are found.By the uniqueness theorem of the solutions for the system of twelve non-homogeneous linear equations with ten unknowns, the ten undermined coefficients in the stress functions are uniquely determined. The definitions of the stress intensity factors are given with the help of one-sided limit, and their theoretical formulae are deduced. The analytic solutions of the stresses near the mode Ⅱ interface crack tip are derived. The classical results for orthotropic material are obtained.