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.     

圆筒内壁轴向裂纹的权函数和应力强度因子

圆简内壁轴向裂纹的应力强度因子是对压力容器、管道和旋转体等重要部件进行断裂分析的关键参量.以往求解这类问题的方法,主要是修正的保角变换一配位法和奇异积分方程法.这些方法一般都要作复杂的推导和计算,工作量大,而且对于多变的受载情况的适应能力差.权函数法为解决上述困难提供了一个较为理想的手段,但早期的权函数解一般都不是以解析形式出现的,因此难以推广使用.本文根据作者在文[4]中     

三维计算断裂力学

断裂力学理论从1921年Griffith研究玻璃的脆性断裂问题开始,经历了从线弹性体系到弹塑性以及蠕变理论体系、从单参数到多参数体系和从理想的二维平面理论到实际三维含裂纹结构的三维断裂理论的发展历程。针对应力强度因子K和J积分以及C(t)积分的计算方法从理想化模型的理论计算发展到实际复杂工程结构裂纹体计算的各种商业软件平台以及专业的断裂理论分析平台。尤其是随着计算机技术的发展,对三维含裂结构的静态和扩展裂纹的计算模拟已经能够融入计算机辅助设计。结合本研究组近30年来在三维疲劳断裂理论和应用研究方面的体会,简述了三维计算断裂力学从裂纹体应力应变分析和断裂参数计算到三维蠕变断裂和疲劳裂纹扩展模拟的国内外进展,并对涉及的计算方法,包括原子尺度和跨尺度的计算模拟,以及目前面临的挑战性问题作了简要介绍和分析。     

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。     

热机载荷作用下三维界面裂纹问题的权函数法分析

热机载荷共同作用下双材料和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.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,因此在求解复杂冲击载荷下界面裂纹应力强度因子随时间的变化过程时,避免了反复的应力分析,计算效率得到提高.根据Betti互易原理,论文推导出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.通过与实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度.     

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。     

受远方拉伸的孔边角裂纹的应力强度因子

本文应用作者近年来发展的三维权函数法计算了孔边角裂纹受远方拉伸情况下的应力强度因子,所得结果与文献中的解进行了广泛的比较,并讨论了二维无裂纹应力分布对权函数法所得结果的精度的影响。文中为这一问题补充了新的解答。     

小角裂纹应力强度因子的权函数解

本文把作者近年来发展的三维权函数法推广应用于平板角裂纹问题,计算了含小角裂纹的平板受远方拉伸及弯曲载荷下的应力强度因子,所提供的解答覆盖了疲劳断裂的研究及工程应用中所关心的小角裂纹的范围。本文的解与文献中的有限元结果进行了广泛的比较,两者之间有极好的一致性。     

变幅载荷下三维裂纹体的疲劳寿命估算方法探讨

1.引言变幅载荷下三维裂纹扩展的疲劳寿命估算是十分麻烦的.而三维裂纹体的应力强度因子计算的复杂性,使估算工作更加困难.为了适应三维裂纹体的工程分析,本文采用了权函数.G.C.Sih;J R.Rice.P.M.Besuner和,T.A.Cruse等把权函数用于工程断裂分析中.由于他们采用的权函数只能对内埋或半椭圆表面裂纹的长、短轴方向进行分析,不能求解三维裂纹前沿任意点处的应力强度因子,故无法对三维裂纹进行较合理的疲劳分析.本文采用文[9]形式的权函数求解应力强度因子,并引入当量裂纹长度的概念,导出裂纹扩展过程中△K_I～△c的近似关系,进而采用广义Willenborg模型估算工程构件中表面裂纹在变幅载荷下的剩余疲劳寿命. 2.基本原理和方法     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

DETERMINATION OF CRACK SURFACE DISPLACEMENTS FOR A RADIAL CRACK EMANATING FROM A SEMI-CIRCULAR NOTCH USING WEIGHT FUNCTION METHOD

A radial crack emanating from a semi-circular notch is of significant engineering importance. Accurate determination of key fracture mechanics parameters is essential for damage tolerance design and fatigue crack growth life predictions. The purpose of this paper is to provide an efficient and accurate closed-form weight function approach to the calculation of crack surface displacements for a radial crack emanating from a semi-circular notch in a semi-infinite plate.Results are presented for two load conditions: remote applied stress and uniform stress segment applied to crack surfaces. Based on a correction of stress intensity factor ratio, highly accurate analytical equations of crack surface displacements under the two load conditions are developed by fitting the data obtained with the weight function method. It is demonstrated that the WuCarlsson closed-form weight functions are very efficient, accurate and easy-to-use for calculating crack surface displacements for arbitrary load conditions. The method will facilitate fatigue crack closure and other fracture mechanics analyses where accurate crack surface displacements are required.     

Perturbation approaches of a planar crack in linear elastic fracture mechanics: A review

One current challenge of linear elastic fracture mechanics (LEFM) is to take into account the non-linearities induced by the crack front deformations. For this, a suitable approach is the crack front perturbation method initiated by Rice (1985). It allows to update the stress intensity factors (SIFs) when the crack front of a planar crack is perturbed in its plane. This approach and its later extensions to more complex cases are recalled in this review. Applications concerning the deformation of the crack front when it propagates quasistatically in a homogeneous or heterogeneous media have been considered in brittle fracture, fatigue or subcritical propagation. The crack shapes corresponding to uniform SIF have been derived: cracks with straight or circular fronts, but also when bifurcations exist, with wavy front. For an initial straight crack, it has been shown that, in homogeneous media, in the quasistatic case, perturbations of all lengthscales progressively disappear unless disordered fracture properties yields Family and Vicsek (1985) roughness of the crack front. Extension of those perturbation approaches to more realistic geometries and to coalescence of cracks is also envisaged.     

Fracture control parameters for NiTi based shape memory alloys

In this paper new fracture control parameters for Nickel–Titanium (NiTi) based shape memory alloys (SMAs) are proposed, based on a recent literature analytical model on fracture mechanics of SMAs. In fact, the stress induced martensitic transformation, occurring in the crack tip region of NiTi alloys, causes a complex and unusual stress distribution with respect to common engineering materials. For this reason two different stress intensity factors (SIFs) have been defined to describe the stress distribution in both transformed and untransformed regions, i.e. in the martensitic and austenitic phases, respectively. Systematic studies have been carried out to analyze the effects of the main thermo-mechanical parameters of NiTi alloys on the two proposed SIFs, i.e. on the crack tip stress distribution, and comparisons with linear elastic fracture mechanics have been illustrated. Finally, the proposed model was used to analyze different loading conditions of a commercial superelastic NiTi alloys, which demonstrated a marked effect of the temperature on the crack tip stress distribution.     

基于修正权函数的多裂纹无网格模拟

本文采用了一种基于不连续场修正权函数的无网格方法来处理二维平面多裂纹问题。相较于传统的无网格断裂不连续场和奇异场模拟方法,修正权函数法算法简便易实现。采用修正权函数处理多裂纹时,只需要对每一段裂纹周围节点的权函数进行修正,就能同时模拟多裂纹不连续位移场和多裂尖奇异场。本文采用基于不连续场修正权函数的无单元Galerkin方法（EFGM）,对Y型裂纹板、十字型裂纹板和孔边双裂纹板进行了分析。数值结果表明,在不引入扩展基函数情况下,通过修正权函数法能够得到精度较高的应力强度因子解,能较好地拟合多裂纹的裂尖奇异场。     

弹性半平面中边界裂纹研究的新方法

讨论了载荷作用在裂纹面上的弹性半平面边界裂纹问题.研究以线弹性断裂力学为基础,采用复变函数方法以及Riemann-Hilbert(R-H)边值问题的一般理论,将问题分拆为含有限裂纹的全平面问题与无裂纹的半平面问题的叠加,计算得到裂纹尖端的应力强度因子.与文献结果比较,该方法具有精度高的优点.     

双材料界面裂纹的改进广义有限差分法

采用数值方法进行断裂力学分析时,裂纹尖端奇异区域处理的好坏直接关系到最终断裂力学参数的求解精度。与传统均匀介质不同,复合材料界面裂纹渐近位移和应力场表现出剧烈的振荡特性,许多用于表征经典的平方根和负平方根物理场渐近性的传统方法也因此失效。论文提出了一种改进的广义有限差分法,该方法基于多元函数泰勒级数展开和移动最小二乘法的思想,将节点变量的各阶导数由相邻点集函数的加权线性累加来近似,具有无网格、无数值积分、数据准备简单、稀疏矩阵快速求解等优点。为提高该方法求解断裂力学问题的计算精度和数值稳定性,论文引入了裂尖奇异区域局部点簇的自动创建技术和一种基于局部点簇几何尺寸的矩阵正则化算法。数值算例表明,所提算法稳定,效率高,在不增加计算量的前提下,显著提高了裂尖近场力学参量和断裂力学参数的求解精度和数值稳定性。     

MESHLESS METHOD FOR 2D MIXED-MODE CRACK PROPAGATION BASED ON VORONOI CELL

A meshless method integrated with linear elastic fracture mechanics (LEFM) is presented for 2D mixed-mode crack propagation analysis. The domain is divided automatically into sub-domains based on Voronoi cells, which are used for quadrature for the potential energy. The continuous crack propagation is simulated with an incremental crack-extension method which assumes a piecewise linear discretization of the unknown crack path. For each increment of the crack extension, the meshless method is applied to carry out a stress analysis of the cracked structure. The J-integral, which can be decomposed into mode I and mode II for mixed-mode crack, is used for the evaluation of the stress intensity factors (SIFs). The crack-propagation direction, predicted on an incremental basis, is computed by a criterion defined in terms of the SIFs. The flowchart of the proposed procedure is presented and two numerical problems are analyzed with this method. The meshless results agree well with the experimental ones, which validates the accuracy and efficiency of the method.     

自紧身管临界裂纹尺寸的概率断裂力学研究

基于概率断裂力学理论和Mome Caflo模拟方法，本文进行了自紧身管临界裂纹尺寸的可靠性研究。自紧身管内表面的疲劳裂纹考虑为半椭圆形式。裂纹尖端处的应力强度因子由内压和自紧残余应力共同产生。自紧残余应力采用了符合身管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算，它产生的应力强度因子通过权函数方法得到。根据断裂准则，可计算出自紧身管的临界裂纹尺寸。实例分析表明，对数正态分布为临界裂纹尺寸的最佳分布，同时给出了在各种置信度和可靠度下自紧身管的临界裂纹尺寸。