含孔边裂纹球壳的断裂分析

在依据Reissner理论得出的球壳裂纹尖端应力应变场展开式基础上,采用局部—整体分析法和权函数方法分别计算承受内压的含孔边裂纹球壳的应力强度因子.在有限元的模式中考虑剪切变形的影响,并对奇异元模式的应力应变场展开式的项数选择、奇异元最佳尺寸的选取进行了分析.本文计算和分析了在不同几何尺寸,不同开孔大小以及不同剪切参量条件下承受内压的含孔边裂纹球壳的应力强度因子及其变化规律.     

在裂纹尖端引入位移协调奇异单元的有限单元法

本文提出了一种新的奇异单元,它是一个中心设在裂纹尖端的正多边形,划分成围绕着缝端的若干个三角形。在三角形中,取位移模式为线性位移和含有应力强度因子的奇异项位移两部分之和。在奇异单元的周向边界上,奇异项位移为零,因此位移的连续性得到保证。而且奇异单元刚度矩阵中的各元素可以用较简单的分析式表出。本文给出了这种方法的分析和推导过程,并用此法计算了简单拉伸、三点弯曲和剪切情况下的应力强度因子。计算结果表明这是一种有效的方法。     

共线裂纹体尺寸对应力强度因子的影响

本文在文献[1]的基础之上,用文献[2]中提出的奇异准谐调元,进一步对二维裂纹体几何尺寸对一对共线裂纹应力强度因子的影响进行了大量的数值计算和研究,给出了计算表格、拟合曲线以及经验公式,定量地分析了裂纹体几何尺寸对共线裂纹应力强度因子的影响。为工程中的裂纹体的脆性断裂分析与评定,提供了必要的计算依据。     

分区混合有限元法计算应力强度因子

本文应用分区混合能量原理,提出分区混合有限元法,用以计算应力强度因子,方法的特点是:在裂纹尖端附近采用应力型奇异单元,在外部采用位移型常规单元。由于针对问题的受力特点,合理地把应力型与位移型、奇异元与常规元、解析解与数值解加以结合,各自发挥所长,从而能以较疏的网格取得较高的精度。 本文不仅为计算应力强度因子提供了一种有特点的有效解法,而且为分区混合有限元法的广泛应用提供了最初的例证。     

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。     

计算应力强度因子的奇异等参单元

用有限单元法计算裂纹顶端应力强度因子,来反映顶端应力的奇异性,导致于裂纹顶端特殊单元的应用发展很快。当反映裂纹顶端应力奇异性的奇异元与外围普通元混合运用时,奇异元有一最佳尺寸。对于不同的问题,最佳的单元尺寸也不同,这就是说,裂纹顶端单元的尺寸对计算结果有明显影响。如果裂纹顶端单元太大则计算误差大;如     

等参奇性元在双孔边裂纹平板分析中的应用及其计算精度研究

本文用八节点等参数单元及其相应的奇性元,对两种双孔边裂纹平板的应力强度因子进行了计算。文中首先导出了平面复合型裂纹问题应力强度因子K_1、K_Ⅱ与等参奇性元节点位移间的关系式,作为用等参单元法推算应力强度因子的依据;然后,以单边裂纹板条为数值例子,对于等参奇性元尺寸的选择、裂纹段单元的配置以各种推算应力强度因子的方法与计算精度之间的关系进行了研究;最后,按一定精度的要求选择等参奇性元尺寸和裂纹段单元配置数,并以三种推算方法计算了两种双孔边裂纹平板的应力强度因子值。     

用边界元方法分析复合材料中的裂纹问题

利用层状材料的广义Klevin基本解，建立了计算三维层状材料中的裂纹边界元方法。采用边界元方法中的多区域方法和能反映均匀介质中裂纹尖端应力场和位移场特征的面力奇异单元。裂纹的应力强度因子由裂纹面上的位移经插值计算得到。算例分析表明，本文建议的方法可以获得较高的计算精度。     

多参量断裂力学广义杂交/混合裂纹有限元法

通过研究广为人知的断裂力学单变量八节点位移裂纹QPE元和Akin族奇异单元法，本文运用经典局部裂纹解析解，与非协调假设应力杂交-混合元列式方法相结合，提出用于分层各向异性材料的多变量半解析假设应力奇异广义杂交／混合裂纹有限元法，能克服现有位移裂纹元法的域应力分布精度低和高次单元所需计算容量大的局限性，互为补充，更有利于结构裂纹扩展分析和应用研究。文中设计了一个半解析奇异裂纹平面单元，各向同性材料板算例验证了退化二次八节点协调位移裂纹元及六节点非协调奇异应力裂纹元，说明采用稀疏及加密单元网格，两类裂纹单元分别从上下逼近收敛于实验和理论参考解，可得到吻合程度较好的1／√r奇异应变和应力分量以及应力强度因子值，表明了本文奇异裂纹单元理论的优越性。     

三维体内含垂直于双材料界面混合型裂纹的超奇异积分解法

利用双材料位移基本解和Somigliana公式,将三维体内含垂直于双材料界面混合型裂纹问题归结为求解一组超奇异积分方程。使用主部分析法,通过对裂纹前沿应力奇性的分析,得到用裂纹面位移间断表示的应力强度因子的计算公式,进而利用超奇异积分方程未知解的理论分析结果和有限部积分理论,给出了超奇异积分方程的数值求解方法。最后,对典型算例的应力强度因子做了计算,并讨论了应力强度因子数值结果的收敛性及其随各参数变化的规律。     

三点弯曲试样动态冲击特性的有限元分析

本文使用动态有限元技术，对于两种不同几何尺寸，两种不同材料的三点弯曲试样在三类七种不同冲击载荷作用下的动态响应进行了分析，求得了动态应力强度因子随时间的变化规律。并与准静态应力强度因子进行了比较。计算结果表明：将冲击载荷历史代入静态公式确定动态应力强度因子的做法是不正确的，要求得动态应力强度因子，必须对试样进行完全的动态分析。当材料的Ｅ／ρ值相同时，动态应力强度因子的响应曲线完全相同。而动态应力强度因子分别与加载点的位移及裂纹的张开位移之间存在着与准静态情况下各自相同的线性关系。这与资料［５］［６］中的结论完全相同。     

拟协调奇异元

本文应用等参拟协调元的方法,在Stern提出的协调奇异元的基础上,通过增加内部自由度,分别构造了二维和三维的拟协调奇异元,进一步证明了这种单元通过分片试验,对几种典型的二维和三维裂纹问题给出拟协调奇异元计算的应力强度因子的结果,与现有的其它类型的奇异元的结果比较,这种新型单元能够显著提高计算精度。     

梯度材料中矩形裂纹的对偶边界元方法分析

采用对偶边界元方法分析了梯度材料中的矩形裂纹. 该方法基于层状材料基本解,以非裂纹边界的位移和面力以及裂纹面的间断位移作为未知量. 位移边界积分方程的源点配置在非裂纹边界上,面力边界积分方程的源点配置在裂纹面上. 发展了边界积分方程中不同类型奇异积分的数值方法. 借助层状材料基本解,采用分层方法逼近梯度材料夹层沿厚度方向力学参数的变化. 与均匀介质中矩形裂纹的数值解对比,建议方法可以获得高精度的计算结果. 最后,分析了梯度材料中均匀张应力作用下矩形裂纹的应力强度因子,讨论了梯度材料非均匀参数、夹层厚度和裂纹与夹层之间相对位置对应力强度因子的影响.      

一种基于直接计算高阶奇异积分的断裂力学双边界积分方程分析法

相对于有限元法,边界单元法在求解断裂问题上有着独特的优势,现有的边界单元法中主要有子区域法和双边界积分方程法.采用一种改进的双边界积分方程法求解二维、三维断裂问题的应力强度因子,对非裂纹边界采用传统的位移边界积分方程,只需对裂纹面中的一面采用面力边界积分方程,并以裂纹间断位移为未知量直接用于计算应力强度因子.采用一种高阶奇异积分的直接法计算面力边界积分方程中的超强奇异积分;对于裂纹尖端单元,提供了三种不同形式的间断位移插值函数,采用两点公式计算应力强度因子.给出了多个具体的算例,与现存的精确解或参考解对比,可得到高精度的计算结果.      

薄膜涂层材料中币形界面裂纹的弹性波散射

研究了薄膜涂层材料中币形界面裂纹的弹性波散射问题,建立了含有币形界面裂纹的覆层半空间模型,采用Hankel积分变换,将裂纹对弹性波散射的问题转化为求解矩阵形式的奇异积分方程。结合渐近分析和围道积分技术得到积分方程的解,进一步推导了散射波的应力场和位移场,以及动应力强度因子的理论计算公式。在数值算例中,分析了不同材料组合和裂纹尺寸情况下动应力强度因子与入射波频率的关系,并给出了裂纹张开位移的结果。为薄膜涂层材料的动态破坏分析提供了一定的理论基础。     

含裂纹有限结构的局部—整体分析

基于局部－整体分析法用限元研究了有限结构内含穿透裂纹的Ｉ型断裂问题,作为局部分人出了有限结构内穿透直裂纹尖端区域应力场的渐近表达式,并以此为位移模式构造了高阶奇异元,代替通常有限元分析中裂纹尖端的稠密网格。文中以中心穿透裂纹板结构为例细致地讨论了有限结构有限尺寸效应,讨论了结构厚度结构长度对应力强度因子的影响。     

用裂纹张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子

给出了一种由裂纹的动态张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子的简单方法。对于两种不同几何尺寸的试样,在三类不同载荷作用下给出了数植算例,并与完全的动态有限元方法的计算结果进行了比较。结果表明:两种方法的计算结果相当一致。最后,还给出了由测定三点弯曲试样的裂纹张开位移确定试样的动态应力强度因子,最终确定材料动态起裂韧性的方法。     

三维无限体中两平行平片裂纹相互干扰的超奇异积分方程解法

本文利用三维断裂力学的超奇异积分方程求解理论，对三维无限体中两平行平片裂纹在任意载荷作用下的相互干扰问题作了研究。首先导出了以裂纹面移间断（位借）为未知函数的超奇异积分方程组，然后为其建立了有限积分边界元法；在此基础上，讨论用了裂纹面位移间断计算应力强度因子的方法，最后用此计算了两平行平片裂纹的相对位置对裂前沿应力强度因子的影响，其数值结果令人满意。     

提高应力强度因子计算精度的三个方法

本文从座标变换的角度出发,给出了一种构造奇异元及相应的过渡元的普遍方法,给出了计算应力强度因子的多参数外推公式,并提出了修正因子的概念及算法。综合使用上述三种方法,则能在相当粗的网格划分下,算得一定精度的应力强度因子值。最后,给出了平面问题、旋转体及三维问题的数值例子。     

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。