Helmholtz边界积分方程中奇异积分间接求解方法

提出了间接求解传统Helmholtz边界积分方程CBIE的强奇异积分和自由项系数,以及Burton-Miller边界积分方程BMBIE中的超强奇异积分的特解法。对于声场的内域问题,给出了满足Helmholtz控制方程的特解,间接求出了CBIE中的强奇异积分和自由项系数。对于声场外域对应的BMBIE中的超强奇异积分,按Guiggiani方法计算其柯西主值积分需要进行泰勒级数展开的高阶近似,公式繁复,实施困难。本文给出了满足Helmholtz控制方程和Sommerfeld散射条件的特解,提出了间接求出超强奇异积分的方法。推导了轴对称结构外场问题的强奇异积分中的柯西主值积分表达式,并通过轴对称问题算例证明了本文方法的高效性。数值结果表明,对于内域问题,采用本文特解法的计算结果优于直接求解强奇异积分和自由项系数的结果,且本文的特解法可避免针对具体几何信息计算自由项系数,因而具有更好的适用性。对于外域问题,两者精度相当,但本文的特解法可避免对核函数进行高阶泰勒级数展开,更易于数值实施。     

边界积分方程中超奇异积分的解法

本文对边界积分方程中所存在的超奇异积分的数值解法作了综述，并介绍了它的一些应用。     

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。     

各向异性平面含斜裂纹的奇异积分方程方法

本文应用平面弹性复变方法，将无限各向异性平面中的任意斜裂纹问题归结为求解一组解析函数边值问题，通过构造适当的积分变换将边值问题转化为奇异积分方程，进而应用Lobotto-Chebyshev数值求积公式，求出该奇异积分方程的数值解，并得到了应力强度因子的近似表达式，最后，给出了一些实例的数值结果，对特例的数值结果与精确结果进行比较，吻合的很好。     

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.      

奇异积分方程在裂纹体弹性波散射问题中的应用

结合２０多年来国内外的研究成果，评述奇异积分方程在裂纹体弹性波散射问题中的应用，特别是在界面裂纹散射问题中的应用．讨论如何将裂纹散射问题归结为奇异积分方程、如何用数值法求解这些方程等问题，并指出奇异积分方程法与其他积分方程法的关系．最后展望了奇异积分方程在裂纹体散射问题中可能的应用前景     

含角应力奇异扇形板的振动特性

将富里叶-贝塞尔级数引入积分方程方法，给出了一种研究含角应力奇异直边简支扇形板结构振动特性简捷，高效的积分方程方法。数值计算结果表明该方法不仅具有较高的精度和稳定性，而且还为分析更为复杂的扇形板结构的振动问题提供了可靠的前提。     

半平面多边缘裂纹反平面问题的奇异积分方程

利用复变函数和奇异积分方程方法,求解弹性范围内半平面多边缘裂纹的反平面问题．提出了满足半平面边界自由的由分布位错密度表示的单边缘裂纹的基本解,此基本解由主要部分和辅助部分组成．将半平面多边缘裂纹问题看作是许多单边缘裂纹问题的叠加,建立了一组Cauchy型奇异积分方程．然后,利用半开型积分法则求解该奇异积分方程,得到了裂纹端处的应力强度因子．最后,给出了几个数值算例．     

二维边界元奇异积分和多域缩聚法分析

基于基本解的一种新的表达式，对二维边界元分析中奇异积分的精确求解进行了讨论，从几何方面对基本解的奇异性进行了分析，给出了超参非连续元离散位势和弹性力学问题边界积分方程时奇异积分计算的精确式，从而为判断各种近似方法的优劣和间接方法的精度提供了依据，也为精确地分析了大规模问题提供了一条有效的途径。     

三维边界元法高阶元几乎奇异积分半解析法

分析了三维边界元法高阶曲面单元几何特征,定义接近度来表征源点与积分单元的接近程度.利用源点在积分单元上的垂足点建立局部极坐标系,构造与几乎奇异积分核函数具有相同奇异性的近似函数.从奇异积分核函数中扣除其近似函数,分离出积分核中主导的奇异函数部分,将奇异积分分解为规则核函数和奇异核函数两项积分.规则核函数积分应用常规Gauss数值积分计算,奇异核函数积分在局部极坐标系ρθ下分离积分变量ρ和θ,对ρ积分建立解析计算列式,对θ积分应用常规Gauss数值积分计算,从而对三维位势问题高阶边界单元几乎强奇异和几乎超奇异积分建立一种新的半解析算法.给出了若干温度场算例,采用边界元法高阶单元几乎奇异积分半解析法计算了近边界内点位势和位势梯度,并与线性单元正则化算法计算结果对比,结果证明提出的半解析法计算几乎奇异面积分和薄壁结构更加高效.      

三维有限体平片裂纹的超奇异积分方程与边界元法

利用Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ公式及有限部积分的概念，导出了含任意平片裂纹三维有限体问题的超奇异积分方程组，并联合使用有限部积分与边界元法，建立了数值求解方法．在裂纹前沿附近单元，采用与理论分析一致的平方根位移模型，以提高数值结果的精度．最后计算了若干典型例子的应力强度因子．     

Fracture mechanics analysis of curved stiffened panels using BEM

A dual boundary element method is developed for a analysis of reinforced cracked shallow shells. Boundary integral equations are derived from the Betti’s reciprocal theorem for a cracked shallow shell with transverse frames and longitudinal stiffeners. The effect of frames and stiffeners are treated as a distribution of line body forces. The radial basis function is used to transform domain integrals to boundary integrals. Stress intensity factors are evaluated from crack opening displacements. The effect of curvature on the stress intensity factors is illustrated by numerical examples. Three examples are presented to demonstrate the accuracy of this method compared with solutions obtained using the finite element method.     

横观各向同性压电材料中裂纹问题的边界元法

采用Somigiliana公式给出了三维横观各向同性压电材料中的非渗漏裂纹问题的一般解和超奇异积分方程，其中未知函数为裂纹面上的位移间断和电势间断．在此基础上，使用有限部积分和边界元结合的方法，建立了超奇异积分方程的数值求解方法，并给出了一些典型数值算例的应力强度因子和电位移强度因子的数值结果，结果令人满意．     

Analysis of three-dimensional edge cracks under tensile loading

Three-dimensional edge cracks are analyzed using the Self-Similar Crack Expansion (SSCE) method with a boundary integral equation technique. The boundary integral equations for surface cracks in a half space are presented based on a half space Green's function (Mindlin, 1936). By using the SSCE method, the stress intensity factors are determined by the crack-opening displacement over the crack surface. In discrete boundary integral equations, the regular and singular integrals on the crack surface elements are evaluated by an analytical method, and the closed form expressions of the integrals are given for subsurface cracks and edge crakcs. This globally numerical and locally analytical method improves the solution accuracy and computational effort. Numerical results for edge cracks under tensile loading with various geometries, such as rectangular cracks, elliptical cracks, and semi-circular cracks, are presented using the SSCE method. Results for stress intensity factors of those surface breaking cracks are in good agreement with other numerical and analytical solutions.     

A Self-Similar Crack Expansion method for three-dimensional cracks in an infinite or semi-infinite medium

The Self-Similar Crack Expansion (SSCE) method is used to calculate stress intensity factors for three-dimensional cracks in an infinite medium or semi-infinite medium by the boundary integral element technique, whereby, the stress intensity factors at crack tips are determined by calculating the crack-opening displacements over the crack surface. For elements on the crack surface, regular integrals and singular integrals are precisely evaluated based on closed form expressions, which improves the accuracy. Examples show that this method yields very accurate results for stress intensity factors of penny-shaped cracks and elliptical cracks in the full space, with errors of less than 1% as compared with analytical solutions. The stress intensity factors of subsurface cracks are in good agreement with other analytical solutions.     

Finite-part integral and boundary element method for interaction between two parallel planar cracks in three-dimensional finite bodies

By using the Somigliana representation and the concepts of finite-part integrals, a set of hypersingular integral equations of the interaction between two parallel planar cracks in a three-dimensional finite body subjected to arbitrary loads is derived, and then its numerical method is proposed by the finite-part integral method combined with the boundary element method. According to the analytic theory of hypersingular integral equations, the square root models of displacement discontinuities in the elements near the crack front are applied, and thus the computational precision is raised. Based on this, the stress intensity factors can be directly calculated. Finally, the stress intensity factors of several typical interaction problems are calculated.     

横观各向同性材料的三维断裂力学问题

从三维横观各向同性材料弹性力学理论出发, 使用Hadamard有限部积分概念, 导出了三维状态下单位位移间断(位错)集度的基 本解. 在此基础上, 进一步运用极限理论, 将任意载荷作用下, 三维无限大横观各向 同性材料弹性体中, 含有一个位于弹性对称面内的任意形状的片状裂纹问题, 归结为求 解一组超奇异积分方程的问题. 通过二维超奇异积分的主部分析方法, 精确地求得了裂纹前沿光滑点附近的应力奇异指数和奇异应力场, 从而找到了以裂纹表面位移间断表示的应力强度因子表达式及裂纹局部扩展所提供 的能量释放率. 作为以上理论的实际应用，最后给出了一个圆形片状裂纹问题 的精确解例和一个正方形片状裂纹问题的数值解例. 对受轴对称法向均布载荷作用下圆形片状裂纹问题, 讨论了超奇异积分方程的精确求解方法, 并获得了位移间断和应力强度因子的封闭解, 此结果与现有理论解完全一致.     

三维有限体中两平行裂纹干扰问题的有限部积分与边界元法

利用Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ公式及有限部积分的概念，导出含两平行平片裂纹三维有限体裂纹干扰问题的超奇异积分方程组，联合使用有限部积分与边界元法，建立了数值求解方法，为提高数值计算结果的精度，在裂纹前疝附近单元，采用平方根位移模型，并在此基础雌出直接计算应力强度因子的公式，最后计算若干典型例子裂纹前沿的应力强度因子。     

三维裂纹分析的主值型面力边界积分方程法

给出了一组只包含Ｃａｕｃｈｙ主值积分、不含有强奇异积分的三维静动力边界积分方程及其应用于裂纹问题的具体列式，并给出了几何轴对称问题的相应半解析边界元求解方法，将三维问题降阶为一维数值问题．文中分析了无限、半无限介质中圆裂纹、平行圆裂纹系、球面裂纹等在静载及应力波作用下的静力或瞬态动力响应问题，求得了相应的应力强度因子．