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。     

围压对巴西圆盘应力强度因子影响的数值分析

为了验证巴西圆盘在围压作用下应力强度因子公式的正确性,论文使用有限元分析方法计算了不同相对裂纹长度下围压单独作用以及围压与集中力共同作用时巴西圆盘的应力强度因子,并与解析解进行了对比分析.计算结果表明:纯围压作用下巴西圆盘的应力强度因子的解析解与数值解结果非常接近,两者的相对误差最大仅为0.535%;围压与集中力共同作用时的I型应力强度因子解析解与数值解也非常吻合,两者计算误差很小,仅在纯II型裂纹临界加载角附近有较大误差,但最大相对误差仅为2%,从而证明了巴西圆盘在围压作用下应力强度因子公式的有效性和可靠性.计算结果亦表明:直接将试件放在液体中加压去研究围压对断裂韧度的影响,在实验方法上缺乏理论依据.     

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。     

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.     

裂纹面受荷载作用的应力强度因子的计算

基于比例边界有限元法计算了裂纹面有荷载作用情况下裂纹尖端的应力强度因子,给出了有限介质裂纹面作用荷载的比例边界有限元方程的基本求解过程.对于随径向坐标任意变化的一类面荷载的积分能够显式计算,不需要引入额外的近似;并将计算结果与解析解和数值结果进行对比,结果表明比例边界有限元法在计算裂纹面作用荷载时的应力强度因子是有效且精确的.此外,该方法可方便地处理各向异性材料裂纹问题,本文给出了正交各向异性矩形盘裂纹面受均布荷载情况的应力强度因子.     

应用半权函数法计算界面裂纹的应力强度因子

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的应力强度因子，得到以半权函数对参考位移与应力加权积分的形式表示的应力强度因子。针对特征值为复数λ的双材料界面裂纹裂尖应力和位移场，设置与之对应特征值为-λ的位移函数，即半权函数。半权函数的应力函数满足平衡方程，应力应变关系，界面的连续条件以及在裂纹面上面力为0；半权函数与裂纹体的几何尺寸无关，对边界条件没有要求。由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ的积分形式表达式。本文计算了多种情况下界面裂纹应力强度因子的算例，与文献结果符合得很好。由于裂尖应力的振荡奇异性已经在积分中避免，只需考虑绕裂尖远场的任意路径上位移和应力，即使采用该路径上较粗糙的参考解也可以得到较精确的结果。     

应用通用权函数法计算热机载荷作用下三维界面裂纹的应力强度因子

热机载荷共同作用下双材料、复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹,传统的求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹应力强度因子的数值方法如有限元、边界元法计算量大,计算效率低。由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,求解应力强度因子时避免了反复的应力分析,计算效率大大提高, 通用权函数法非常适合计算复杂冲击载荷下应力强度因子分布的过渡过程。根据Betti互易原理,本文推导出了三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面I型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式. 通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度。     

层状磁电复合材料界面共线裂纹平面问题分析

本文研究了面内电磁势载荷作用下双层压电压磁复合材料中共线界面裂纹问题．考虑了压电材料的导磁性质和压磁材料的介电性质,引入了界面电位移和磁感强度的连续性条件．利用Fourier 变换得到一组第二类Cauchy 型奇异积分方程．进一步导出了相应问题的应力强度因子、电位移强度因子和磁感强度强度因子的表达式,给出了应力强度因子的数值结果．结果表明电磁载荷会导致界面裂纹尖端I、II 混合型应力奇异性,同时还伴随着电位移和磁感强度的奇异性．比较了双裂纹左右端的应力强度因子,发现在面内极化方向上施加面内磁势载荷时共线裂纹内侧尖端区域的两个法向应力场发生互相干涉增强．     

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。     

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.     

A non‐iterative implicit algorithm for the solution of advection–diffusion equation on a sphere

A numerical algorithm for the solution of advection–diffusion equation on the surface of a sphere is suggested. The velocity field on a sphere is assumed to be known and non‐divergent. The discretization of advection–diffusion equation in space is carried out with the help of the finite volume method, and the Gauss theorem is applied to each grid cell. For the discretization in time, the symmetrized double‐cycle componentwise splitting method and the Crank–Nicolson scheme are used. The numerical scheme is of second order approximation in space and time, correctly describes the balance of mass of substance in the forced and dissipative discrete system and is unconditionally stable. In the absence of external forcing and dissipation, the total mass and L₂‐norm of solution of discrete system is conserved in time. The one‐dimensional periodic problems arising at splitting in the longitudinal direction are solved with Sherman–Morrison's formula and Thomas's algorithm. The one‐dimensional problems arising at splitting in the latitudinal direction are solved by the bordering method that requires a prior determination of the solution at the poles. The resulting linear systems have tridiagonal matrices and are solved by Thomas's algorithm. The suggested method is direct (without iterations) and rapid in realization. It can also be applied to linear and nonlinear diffusion problems, some elliptic problems and adjoint advection–diffusion problems on a sphere. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Solving the Stress Problem for a Finite Cylinder by the Schwarz Method with Hybrid Approximations

An axisymmetric elastic problem is solved by a heterogeneous numerical scheme of the alternating Schwarz method based on the finite- and boundary-element methods. The Schwarz method and the modified scheme are compared. A relaxation parameter is used to accelerate the iterative process     

自由单元法及其在结构分析中的应用

通过吸收有限元与无网格法的优点,提出了一种新的数值方法------自由单元法.此方法在离散方面,采用有限元法中的等参单元,表征几何形状和进行物理量的插值;在算法方面,采用单元配点技术,逐点产生系统方程.主要特点是,在每个配置点只需要一个和周围自由选择的节点而形成的一个独立的等参单元,因而不需要考虑物理量在单元之间的相互连接关系与导数连续性问题. 本文介绍强形式与弱形式两种自由单元法,前者直接由控制方程和边界条件直接产生系统方程,后者通过在自由单元上建立控制方程的加权余量式产生弱形式积分式,并通过像传统有限元法中的积分过程建立系统方程组.本文提出的方法是一种单元配点法,对于域内点为了获得较高的导数精度,需要采用至少具有一个内部点的等参单元,为此除了可使用各阶次的拉格朗日四边形单元外, 还 给出了七节点三角形等参单元,用于模拟较为复杂的几何形状问题.      

A new modification of false position method based on homotopy analysis method

A new modification of false position method for solving nonlinear equations is presented by applying homotopy analysis method （HAM）. Some numerical illustrations are given to show the efficiency of algorithm.     

无网格MPM法三维前处理系统设计

无网格法在解决爆炸冲击、裂纹扩展、高速碰撞以及大变形等问题时,由于与网格无关,能够避免有限元法因网格畸变计算精度降低或计算终止的矛盾,是目前求解固体力学问题的有效方法之一,也是近年来研究的热点。前处理对于无网格法数值计算是非常重要的环节,基于面向对象程序设计思想,应用C 和OpenGL开发了三维图形交互方式的MPM法前处理系统,提出了应用递归四叉树法、扫描表示法和CSG法划分任意形状非等间距的MPM法质点单元,为建立通用的无网格前处理平台提出了有效的解决方案。     

参数多项式方法的扩展——参数分布形状特征式法

在深入分析参数多项式方法数学原理的基础上，提出了参数分布形状特征式法。根据流动问题的物理本质及大量试验数据，总结出参数分布的形状特征式，将其代入流动基本方程，就可以快速而准确地求解流场。它是参数多项式方法的一种扩展，具有重要的应用前景。     

Preconditioned Iterative Methods for Linear Equations Arising from the Boundary Element Method

A precondition for the Gauss–Seidel iterative method to solve a linear system of equations arising from the boundary element method for the Laplace and convective diffusion with first-order reaction problems is presented in this paper. The present precondition is based on the elementary matrix operation. We discuss the effect of the precondition in comparison with the Gauss elimination (GE) method in some numerical experiments.     

基于核重构思想的配点型无网格方法的研究--一维问题

无网格方法按其离散原理可分为Galerkin型、配点型等。其中Galerkin型无网格方法的实施需要背景网格，不属于真正的无网格法；配点型无网格方法的实施不需要背景网格，是真正的无网格法。本文首先介绍了重构核点法的基本原理，然后基于核重构思想，与配点法相结合，以一维问题为例，研究了配点型无网格方法，对该方法构造过程中的近似函数及其导数的计算、修正函数的计算及方法的实现等问题进行了探讨。并结合若干典型算例，检验了其计算精度与收敛姓。     

无单元Galerkin法和边界元耦合法

无网格方法与有限元法或边界元法耦合是无网格方法处理边界条件的方法之一,在无网格方法中研究无网格方法与有限元法或边界元法耦合的研究显得非常重要.本文在无单元Galerkin法和边界元法的基础上,基于无单元Galerkin法子域和边界元法子域的界面上位移连续和面力平衡条件,提出了一种新的无单元Galerkin法和边界元法的直接耦合方法,对弹性力学问题详细推导了在整个求解域上的耦合公式.与以往的耦合法相比,这种方法简单直观,不需要增加新的耦合区域,也不需要建立新的逼近函数来保证界面位移的连续性.算例结果表明,该方法具有较好的计算精度.     

结构分析的样条函数方法

本文介绍了近几年来结构分析中的各种样条函数方法及其在工程中的应用,以及样条函数方法研究的新动态和笔者的最近研究成果。