基于整体位移模式的平面裂纹结构数值模拟方法

对于平面裂纹问题,针对扩展有限元法和无网格伽辽金法的不足,从结构的整体位移模式出发,提出了一种新的数值模拟方法。在整个求解域内构造其试探函数,并引入裂纹修正项描述裂尖处的奇异性和裂纹面的强间断特性;同时,提出了一种新的强制边界条件施加方法,通过引入位移边界水平集函数,将位移边界条件包含在近似位移场的表达式中,有效地解决了位移边界条件问题,减小了刚度矩阵的阶数,非常方便地消除了刚度矩阵的奇异性,降低了线性方程组的求解难度。含裂纹矩形平板结构的数值算例验证了该方法的有效性。     

基于整体位移模式的平面孔洞结构数值模拟方法

针对平面孔洞问题提出了一种新的数值模拟方法.论文通过水平集方法引入孔洞边界、力边界和位移边界水平集函数,利用边界水平集函数来构造边界试探项,将试探空间表示为二元幂级数与边界试探项的线性组合;同时提出一种基于水平集方法的位移边界条件施加方法,利用位移边界水平集函数来构造满足位移边界条件的近似位移场,并给出了相应的刚度矩阵和载荷矩阵表达式.与FEM、XFEM、无网格法等方法相比,该方法无需将求解域离散,具有较低的计算成本、特性良好的刚度矩阵和较为广泛的适用性.数值算例验证了该方法的有效性.     

基于拉格朗日乘子法和群论的具有任意位移边界条件的旋转周期对称结构有限元分析

对任意位移边界条件下的旋转周期对称结构，由拉格朗日乘子法建立有限元方程。在对称适应的坐标系下，由结构刚度矩阵的块循环性质，利用群变换给出一种新的求解方法。数值验证给出令人满意的结果。     

一种精确结构静力重分析法

本文提出了一种结构静力重分析方法。通过引入结构刚体位移特征向量，可以导出结构广义柔度矩阵，原阶数较高的刚度方程被转化成一阶数较小的线性系统，位移一般解可以在边界条件尚未引入结构刚度矩阵之前导出，对于有局部变化的结构，新的结构广义柔度矩阵可以迅速进行修改。这种静力重分析可以用在载荷条件、边界条件、结构单元同时或分别改变时的静力分析之中，文中提供了两个算例，以证明此方法的有效性     

各向同性材料接头和界面相交裂纹应力奇异性特征分析

提出了用插值矩阵法分析各向同性材料接头以及与界面相交的平面裂纹应力奇异性。基于接头和裂纹端部附近区域位移场渐近展开,将位移场的渐近展开式的典型项代入线弹性力学基本方程,得到关于平面内各向同性材料接头以及与两相材料界面相交裂纹应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值问题,运用插值矩阵法求解,获得了两相材料平面接头端部应力奇异性指数以及与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律,数值计算结果与已有结果比较表明,本文方法具有很高的精度和效率。     

插值矩阵法分析与复合材料界面相交的平面裂纹奇异应力场

提出了用插值矩阵法分析与各向异性材料界面相交的平面裂纹应力奇异性。基于V形切口尖端附近区域位移场渐近展开,将位移场的渐近展开式的典型项代入线弹性力学基本方程,得到关于平面内与复合材料界面相交的裂纹应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值问题,运用插值矩阵法求解,获得了平面内各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律,数值计算结果与已有结果比较表明,本文方法具有很高的精度和效率。     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

基于Voronoi结构的无网格局部Petrov-Galerkin方法

基于自然邻结点近似位移函数提出了一种用于求解弹性力学平面问题的无网格局部局部Petrov-Galerkin方法。这种方法在结构求解域Ω内任意布置离散的结点，并且利用需求结点的自然邻结点和Voronoi结构来构造整腐朽 求解的近似位移函数，对于构造好的近似位移函数，在局部Petrov-Galerkin方法建立整体求解的平控制方程，这样平衡方程的积分可在背景三角积分网格的形心上解析计算得到，而采用标准Galerkin方法的自然单元法需要三个数值积分点。该方法能够准确地施加边界条件，得到的系统矩阵是带状稀疏矩阵，对软件用户来说，这它学是一种安全的，真正的无网格方法，所得计算结果表明，该方法的计算精度与有限元四边界单元相当，但计算和形成系统平衡方程的时间比有限元法四边界单元提高了将近一倍，是一种理想的数值求解方法。     

各向同性与各向异性三相材料接头应力奇异性研究

研究了各向同性与各向异性三相材料接头的应力奇性指数,通过引入奇异点附近区域位移场渐近展开的典型项,将各向同性与各向异性组合材料接头的控制方程和径向边界条件转化为变系数常微分方程的特征值问题;再利用插值矩阵法求解所建立的特征方程,得到接头端部的应力奇性指数和特征角函数。对由两个各向异性材料和一个各向同性材料以任意楔形角组成的三相接头结构的奇异性进行了研究,并比较了它们的应力奇性指数。计算结果表明:对于粘结接头,各向同性材料刚度越大应力奇异性越强;对于剥离接头,各向同性材料楔形角或材料刚度越大,第一阶应力奇异性越弱。计算结果与已有文献的结果对比吻合良好,证明了本文方法的有效性。     

不可压缩平面问题的位移-压力混合重心插值配点法

引入人工压力变量,将弹性本构方程以应力、应变和压力表达,建立求解不可压缩平面弹性问题的位移-压力方程和不可压缩条件方程的耦合偏微分方程组。利用张量积型重心Lagrange插值近似二元函数,得到计算插值节点处偏导数的偏微分矩阵。采用配点法离散不可压缩弹性控制方程,利用偏微分矩阵直接离散弹性力学控制方程为矩阵形式方程组。利用插值公式离散位移和应力边界条件,将离散边界条件与离散控制方程组合为新的方程组,得到求解弹性问题的过约束线性代数方程组;利用最小二乘法求解线性方程组,得到弹性力学问题位移数值解。数值算例验证了所提方法的数值计算精度为10-14~10-10。     

Hypersingular integral equation method for a three-dimensional crack in anisotropic electro-magneto-elastic bimaterials

Using Green’s functions, the extended general displacement solutions of a three-dimensional crack problem in anisotropic electro-magneto-elastic (EME) bimaterials under extended loads are analyzed by the boundary element method. Then, the crack problem is reduced to solving a set of hypersingular integral equations (HIE) coupled with boundary integral equations. The singularity of the extended displacement discontinuities around the crack front terminating at the interface is analyzed by the main-part analysis method of HIE, and the exact analytical solutions of the extended singular stresses and extended stress intensity factors (SIFs) near the crack front in anisotropic EME bimaterials are given. Also, the numerical method of the HIE for a rectangular crack subjected to extended loads is put forward with the extended crack opening dislocation approximated by the product of basic density functions and polynomials. At last, numerical solutions of the extended SIFs of some examples are obtained.     

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.     

基于扩展有限元的应力强度因子的位移外推法

针对平面裂纹问题,阐述了扩展有限元法的单元位移模式、推导了扩展有限元法的控制方程、介绍了特殊单元的数值积分技术.基于最小二乘法,建立了应力强度因子位移外推法的计算公式.利用MATLAB编写计算程序,对平面裂纹问题用扩展有限元法进行了计算.基于扩展有限元法的计算结果,分别利用位移外推法和相互作用积分法,对平面裂纹的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,位移外推法比相互作用积分法能更方便和准确地计算平面裂纹的应力强度因子.     

Analysis of bonded anisotropic wedges with interface crack under anti-plane shear loading

The antiplane stress analysis of two anisotropic finite wedges with arbitrary radii and apex angles that are bonded together along a common edge is investigated. The wedge radial boundaries can be subjected to displacement-displacement boundary condi- tions, and the circular boundary of the wedge is free from any traction. The new finite complex transforms are employed to solve the problem. These finite complex transforms have complex analogies to both kinds of standard finite Mellin transforms. The traction free condition on the crack faces is expressed as a singular integral equation by using the exact analytical method. The explicit terms for the strength of singularity are extracted, showing the dependence of the order of the stress singularity on the wedge angle, material constants, and boundary conditions. A numerical method is used for solving the resul- tant singular integral equations. The displacement boundary condition may be a general term of the Taylor series expansion for the displacement prescribed on the radial edge of the wedge. Thus, the analysis of every kind of displacement boundary conditions can be obtained by the achieved results from the foregoing general displacement boundary condition. The obtained stress intensity factors （SIFs） at the crack tips are plotted and compared with those obtained by the finite element analysis （FEA）.     

Investigation of a griffith crack subject to uniform tension using the non-local theory by a new method

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｓｅｖｅｒａｌｐｒｅｖｉｏｕｓｐａｐｅｒｓ［１,２,３］,Ｅｒｉｎｇｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｓｔｒｅｓｓｎｅａｒｔｈｅｔｉｐｏｆａｓｈａｒｐｌｉｎｅｃｒａｃｋｉｎａｎｅｌａｓｔｉｃｐｌａｔｅｓｕｂｊｅｃｔｔｏｕｎｉｆｏｒｍｔｅｎｓｉｏｎ,ｓｈｅａｒａｎｄａｎｔｉ＿ｐｌａｎｅｓｈｅａｒ．Ｔｈｅｆｉｅｌｄｅｑｕａｔｉｏｎｓｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｅｔｈｏｓｅｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｎｏｎ＿ｌｏｃａｌｅ…     

THE EFFECT OF AN ELASTIC TRIANGULAR INCLUSION ON A CRACK

IntroductionWiththedevelopmentofparticleandfiberreinforcedcomposites,theinclusion_crackinteractionproblemisbecominganimportantfieldbeingstudied .Andasamodel,itisalsousedtostudytheeffectsofmaterialdefectsonthestrengthandfractureofengineeringstructure.TheinterationbetweencircularinclusionandcrackwasstudiedinRefs.[1 -6 ] ;InRefs.[7-1 2 ] ,theinterationbetweenlineinclusionandcrackswasdiscussed ;TheinterationbetweenellipticalinclusionandcrackwasstudiedinRefs.[1 3,1 4] .However,withthedevelopmento…     

移动接触下求解二维闭合裂纹的双重迭代边界元法

使用子域边界元法对受移动接触弹性体作用下的二维闭合裂纹问题进行了数值计算。由于两弹性体的接触界面和裂纹表面的接触范围的大小和接触状态事先是未知的 ,对此 ,在两个接触表面同时采用迭代的方法进行了求解。在裂纹的每个裂尖上都采用了四分之一的奇异单元以保证裂尖位移场和应力场奇异性的满足。用我们编制的二维裂纹问题程序对一些中心裂纹问题进行了计算 ,计算结果与经典断裂力学的理论值比较吻合。在无摩擦的条件下 ,对一些具有不同角度且受移动接触弹性体作用下的闭合裂纹问题进行了数值计算 ,得到了一些耦合作用下的应力强度因子的计算结果     

Investigation of the scattering of antiplane shear waves by two griffith cracks using the non-local theory

In this paper, the scattering of harmonic antiplane shear waves by two finite cracks is studied using the non-local theory. The Fourier transform is applied and a mixed boundary value problem is formulated. Then a set of triple integral equations is solved using a new method, namely Schmidt's method. This method is more exact and more reasonable than Eringen's for solving this kind of problem. The result of the stress near the crack tip was obtained. Contrary to the classical elasticity solution, it is found that no stress singularity is present at the crack tip, which can explain the problem of macroscopic and microscopic mechanics.