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。     

围压与径向荷载共同作用下巴西盘裂纹应力强度因子的解析解

利用权函数法推导了围压和径向荷载共同作用下,考虑裂纹面摩擦的预制裂纹巴西盘应力强度因子计算公式,从理论上分析了围压、径向荷载和裂纹面摩擦对巴西盘应力强度因子的影响。结果表明,围压对I型应力强度因子有很大影响,I型应力强度因子随围压的增大而减小。当裂纹面闭合后围压和摩擦系数对II型应力强度因子同样具有显著影响,考虑裂纹面有效剪应力的权函数法理论解与有限元数值解相吻合,表明理论分析的正确性。     

围压与径向荷载共同作用下巴西盘裂纹应力强度因子的解析解

利用权函数法推导了围压和径向荷载共同作用下,考虑裂纹面摩擦的预制裂纹巴西盘应力强度因子计算公式,从理论上分析了围压、径向荷载和裂纹面摩擦对巴西盘应力强度因子的影响。结果表明,围压对I型应力强度因子有很大影响,I型应力强度因子随围压的增大而减小。当裂纹面闭合后围压和摩擦系数对II型应力强度因子同样具有显著影响,考虑裂纹面有效剪应力的权函数法理论解与有限元数值解相吻合,表明理论分析的正确性。     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

弯载下中长圆柱壳表面裂纹的线弹簧模型解

针对含环向表面裂纹的中长圆柱壳,基于薄壳半膜力理论和线弹簧模型,导出了其在弯载作用下的解析解,并给出了相应的表面裂纹前缘的应力强度因子的计算公式以及表面裂纹存在对整个圆柱壳柔度的影响的表达式。研究表明,对于中长圆柱壳中的较长裂纹,裂纹前缘最深点处的应力强度因子对裂纹前缘的形状并不敏感;相应的数值计算结果表明,本文的解与有限元结果的误差不超过3%。     

基于p型有限元法和围线积分法计算复合型应力强度因子

传统有限元法由于采用低阶插值计算应力强度因子时,需要划分的网格数较多,收敛速度较慢,得到的应力强度因子精度不足。p型有限元法在网格确定时通过增加插值多项式的阶数来提高计算精度,具有网格划分少、收敛速度快、精度高、自适应能力强等特点。本文采用基于p型有限元法的有限元计算软件StressCheck计算得到应力场和位移场,并由围线积分法导出混合型应力强度因子(SIFs)。通过几个经典算例,分析了围线的选择对计算精度的影响,计算了不同裂纹长度、不同裂纹角度和裂纹在应力集中区域不同位置时的应力强度因子。并将数值结果、理论解与文献中其他数值计算方法所得的部分结果进行了对比分析,结果表明自由度数不大于7000时,导出的应力强度因子相对误差最大不超过1.2%,数值解表现出较高的精度及数值稳定性。     

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态应力强度因子

为了指导用中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样进行岩石复合型动态断裂 试验,利用有限元法首先验证了文献中对中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)得到的有关结果,分析 比较了不同无量纲裂纹长度(即裂纹半长和圆盘半径之比)时两种圆盘的I, II型动态应力 强度因子的时间历程,发现两者的差异大部分在10{\%}以内,同时验证了该文数值方法的可 靠性. 然后讨论了CSTFBD试样I, II型动态应力强度因子的复合比、起裂角以及纯II型加 载角. 研究成果可为复合型动态断裂试验中CSTFBD试样的加工、试样上应变片的粘贴、起裂 方向和起裂时间的估计等提供参考.     

半无限板边缘裂纹的权函数解法与评价

权函数法是求解裂纹体在任意受载条件下的应力强度因子和裂纹面位移等断裂力学参量的高效、高精度方法,与有限元等数值方法相比,在求解效率和可靠性方面均具有明显优势.针对半无限板边缘裂纹,系统分析了在国际断裂力学界较有代表性的Wu-Carlsson、Glinka-Shen和Fett-Munz三种解析形式的权函数法,进而以在远端均匀加载下的半无限板边缘裂纹面位移Wigglesworth解析解导得的权函数及其对应的格林函数解(即裂纹面受一对单位集中力作用下的应力强度因子)为基准,沿整个裂纹长度对3种权函数的精度逐点进行比较,并与文献中基于其他方法求得的权函数做了广泛对比,包括Bueckner,Hartranft-Sih以及Wigglesworth利用不同解析方法推导出的高精度的权函数.研究了3种参考载荷(均布/正反向线性分布应力、集中力)及其不同组合,以及裂纹嘴位移的几何条件对权函数精度的影响.结果表明,基于一种参考载荷下的裂纹面张开位移比基于两种参考载荷下的应力强度因子所得到的权函数具有更高的精度,而且后一种方法的精度明显受到所选参考载荷组合的影响;裂纹面位移在裂纹嘴处三阶导数等于零的条件对基于一个参考解的权函数精度的改进效果较小.最后给出了利用各种权函数方法计算得到的4种载荷条件下的应力强度因子,并对结果进行了比较.     

基于权函数法的核主泵飞轮应力强度因子研究

采用权函数法确定了含裂纹飞轮在离心力和接触压力作用下的应力强度因子,计算了在同步转速工况下裂纹尖端应力强度因子的值,并与解析法和有限元法计算结果进行了对比。结果表明:权函数法与解析法的误差在3%以内,与有限元法的误差在1%以内,验证了权函数法计算应力强度因子的准确性高;在结构不变的情况下,权函数法可以快速求解不同载荷条件、不同长度裂纹的应力强度因子。通过控制变量法研究了不同参数对应力强度因子的影响,结果表明,飞轮裂纹尖端总应力强度因子随着裂纹尺寸、旋转转速、飞轮尺寸外径与内径比值的增大而增大。     

中心裂纹圆盘应力强度因子的测试误差分析

本文在中心裂纹圆盘应力强度因子解析解的基础上,利用一阶微分法则,给出了与裂纹相对长度和加载角相关的应力强度因子(K 和K )的4个误差传递函数。这4个误差传递函数关于裂纹相对长度和加载角均是非线性的,它们既是误差分析的基础,又是合理确定裂纹相对长度和加载角的基础。分析结果表明,加载角的误差Δθ除了对纯 型K 的误差几乎没有影响,对纯 型K 影响较小外,对复合型K 、K 的误差均有较大影响。最后,本文建议裂纹相对长度的取值范围为0.4～0.6;还建议在复合型断裂试验时,必须依据对K 、K 的总体精度要求来严格控制加载角的精度。     

自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

本文提供了自增强厚壁圆筒疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析的方法和公式,自增强残余应力用符合厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应实际性能推得的公式进行计算,残余应力对应的应力强度因子的计算采用了有限元法,得到了工作内压与自增强残余应力共同作用下的厚壁筒应力强度因子公式,通过实验测定了厚壁筒用钢的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。     

应用交替法计算十字形裂纹的应力强度因子

本文对十字形裂纹采用交替法,使得裂纹表面有限单元上边界条件均得到满足,推出任意对称压力作用下递推关系式,并计算了几种载荷下应力强度因子的数值解,对结果中的特例与Sneddon和Sih的理论、数值解相比较,其误差分别小于0.02％和0.5％。     

热、机械载荷作用下夹杂对应力强度因子的影响

推导了远场应力、热应力耦合作用下含夹杂裂纹体的应力强度因子求解公式,改进了体积力法中的裂纹面合力平衡条件,将应力强度因子的求解归结为解一组积分方程,再将积分方程转化为线性方程组进行数值求解。算例分析结果表明方法正确、有效。将该算法应用于含Al2O3夹杂的FGH95材料应力强度因子分析中,计算结果表明热应力对应力强度因子影响很小。     

压电体内孔边裂纹的应力强度因子

本文研究含有Ⅲ型孔边裂纹压电弹性体的反平面问题.根据Muskhelishvili的数学弹性力学理论,并利用保角变换和Cauchy积分的方法,对含有圆孔孔边单裂纹和双裂纹的压电弹性体分别进行了分析.基于电不可穿透裂纹模型,得到了在反平面剪力和面内电载荷的共同作用下裂纹尖端应力强度因子的解析解.最后,通过数值算例,讨论了应力强度因子随裂纹长度变化的规律.结果表明:应力强度因子随着裂纹和孔的相对尺寸的增加而增加,并且单边裂纹的应力强度因子要比双边裂纹的应力强度因子大.     

改进巴西试验:从平台巴西圆盘到切口巴西圆盘

巴西试验是测试混凝土、陶瓷、岩石等脆性或准脆性材料拉伸强度的标准方法,在材料科学和土木工程中有广泛的应用,研究该方法的改进在科学和工程界都受到日益增长的关注.我们对巴西试验的原始试样即巴西圆盘(Brazilian disc,BD)提出一种新的构型:切口巴西圆盘(grooved Brazilian disc,GBD),利用GBD加载直径两端的窄而浅的切口,消除完整巴西圆盘对径压缩加载时可能非中心起裂的缺点,这一点与我们过去提出的平台巴西圆盘(flattened Brazilian disc,FBD)相同.GBD的构型更普适,因为它涵盖了巴西圆盘和平台巴西圆盘.对于求解GBD切口顶点及其正前方近邻的应力,提出两个近似解析模型,分别求出对应的压应力和拉应力,用叠加原理最后推出的公式能够定性地预测应力的变化趋势,以及试样几何参数的影响.近似解析公式,有限元数值计算,对比实验的结果都证实,对径压缩圆盘的几何与表面边界条件的一个微小的改变,对巴西试验试样的几何稳定性和断裂过程产生显著和有利的影响.利用推出的切口应力公式进行试样几何参数的优化选择,可以使GBD比BD和FBD更具优越性.     

应力梯度不均匀时平板表面裂纹的应力强度因子

本文采用考虑裂纹面上具有任意分布载荷的线弹簧模型,在Kirchhoff板弯曲理论的假设下,将含半椭圆型表面裂纹的平板问题化为一组耦合的积分方程组进行求解,对均匀拉伸和纯弯曲两种载荷作用下的应力强度因子数值解,同经典线弹簧模型和有限元解进行了比较,并给出了经典线弹簧模型不能得到的、裂纹面上承受幂次不均匀应力分布时应力强度因子的数值解.     

自紧炮管的疲劳寿命分析

本文用有限单元法计算了自紧残余应力对应的炮管的应力强度因子.自紧残余应力采用了符合炮管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算,根据工作内压和残余应力共同作用下炮管的总应力强度因子和测定的炮钢断裂韧度及疲劳裂纹扩展性能,分析了自紧炮管的疲劳寿命及自紧度和裂纹构形对疲劳寿命的影响.     

横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展

讨论一对集中力作用下横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展问题,其解答构成三维裂纹瞬态扩展问题的基本解。求解方法是基于积分变换技术,将混合边值问题化为Wiener-Hopf型积分方程,求得了裂纹所在平面应力和位移的封闭形式解。进一步利用Abel定理和Cagniard-de Hoop方法,求得了动态应力强度因子的精确解。最后通过数值结果揭示了横观各向同性材料三维扩展裂纹尖端场的动态特性。     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

磁电弹性体中唇形运动裂纹问题分析

本文通过共形映射公式,利用复变函数方法研究了磁电弹性体中的唇形运动裂纹问题.对裂纹面上受反平面剪应力和面内磁电载荷共同作用情况,导出了磁电全非渗透型边界条件下运动裂纹尖端场应力强度因子和机械应变能释放率的解析解.当运动速度为零时这两解都退化成了静止状态下的解.通过算例,与具有相同尺寸的带双裂纹的椭圆孔口问题进行了比较,给出了两种裂纹尖端点处应力强度因子和机械应变能释放率随孔口高度h与裂纹半长a之比h/a的变化规律曲线图,得出了两种孔口裂纹问题在应力强度因子和能量释放率两方面的异同点,结果表明采用唇形孔口裂纹比采用带双裂纹的椭圆孔口能降低裂纹的扩展,这在工程建设及构件的制造上有一些指导作用.