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。     

复合材料Reissner板中与界面相交的裂纹奇异性分析

基于切口尖端附近区域位移场的渐近展开,提出了分析复合材料板中与界面相交的切口应力奇异性的新方法。将位移场渐近展开式的典型项代入弹性板的基本方程,得到关于复合材料板中与界面相交的切口应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值;采用变量代换法,将非线性特征问题转化为线性特征问题,并用插值矩阵法求解获得了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;最后将计算结果与现有结果进行对比。结果表明:两种结果吻合较好,表明本文方法是有效的。     

与界面垂直相交V形切口的边界元分析方法

建立了边界元法计算各向同性结合材料中与界面垂直相交V形切口奇异应力场的分析方法。首先将V形切口尖端附近区域的位移场和应力场用Williams渐近展开式表达,将其代入弹性力学基本方程中,由插值矩阵法获得应力奇异性指数及其对应的位移函数;然后在V形切口尖端区域挖取一个小扇形域,将该扇形区域的位移场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,并对挖去小扇形域后的剩余结构建立边界积分方程;最后将扇形区域位移场表达式和边界积分方程联合求出其切口尖端位移场的组合系数,从而获得各向同性结合材料中与界面垂直相交V形切口尖端的应力强度因子。本文的计算结果与现有结果对比吻合良好,表明了本文方法的有效性。     

反平面V形切口塑性应力奇异性分析

论文提出了用插值矩阵法计算幂硬化塑性材料反平面V形切口和裂纹尖端区域的应力奇异性.首先在切口和裂纹尖端区域采用自尖端径向度量的渐近位移场假设,将其代入塑性全量理论的基本微分方程后,推导出包含应力奇异性特征指数和特征角函数的非线性常微分方程特征值问题.然后采用插值矩阵法迭代求解导出的控制方程,得到一般的塑性材料反平面V形切口和裂纹的前若干阶应力奇异阶和相应的特征角函数,该法的重要优点是以上求解的特征角函数和它们各阶导函数具有同阶精度,并且一次性地求出前若干阶特征对.同时,插值矩阵法计算量小,易于和其他方法联合使用,这些优点在后续求解尖端区域完全应力场非常优越.论文方法的计算结果与现有结果对照,发现吻合良好,表明了论文方法的有效性.     

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。     

静止裂纹尖端实验的HRR奇异场

用近代光学试验方法(面内云纹和投影云纹),测量了不同应变硬化指数材料(n=3.350～9.180)、平面应力Ⅰ型双边裂纹试件、裂纹尖端附近位移场和应变场。由试验结果分析了裂纹尖端位移奇异性,得到J主导区和围绕裂纹尖端附近HRR场分布。分析了HRR分布随载荷、材料不同的变化规律。     

双材料自由边界面端部问题的数值分析

对各向异性双材料自由边界面端部奇异性场问题进行了研究,利用有限元分析法所得到的各向异性双材料自由边界面端部的应力奇异性指数以及角分布函数,构造了一个自由边界面端部单元,据此建立了自由边界面端部奇异性场的杂交应力模型,并结合Hellinger-Reissner变分原理导出应力杂交元方程,建立了求解平面各向异性材料裂纹尖端问题的杂交元计算模型.与四节点单元相结合,提出一种求解自由边界面端部广义应力强度因子的杂交元法.考核例结果表明:本文方法的数值解精度高,可应用于各向异性材料双材料自由边界面端部问题.     

压电材料反平面切口奇性指数分析

为理解压电材料反平面切口尖端奇异状态,提出了一种切口奇性特征分析法.基于切口根部位移场幂级数渐近展开假设,从应力平衡方程和电荷守恒条件出发,导出了关于压电材料反平面切口奇性指数的特征微分方程组,并将切口的力电学边界条件以及界面协调条件表达为奇性指数和特征角函数的组合.从而,压电材料切口反平面奇性指数的计算被转化为相应边界条件下常微分方程组特征值的求解问题,采用插值矩阵法可以计算出各阶奇性指数和相应的特征角函数.该法既适合裂纹奇性分析,也可用于单、双材料切口的奇性计算,并避免了用迭代法求解超越方程的不足.因而具有适应性强的特点.计算发现,压电材料反平面切口存在两个奇性指数,切口的奇异性程度随着开角的增大而增强.     

幂硬化介质中平面应力动态裂纹的尖端弹塑性场

本文采用塑性动力学方程,对幂硬化介质中平面应力动态裂纹尖端场进行了渐近分析,其结果表明:在裂纹尖端附近,应力具有的奇异性,应变具有的奇异性,其中A是一个与塑性区尺寸有关的常数因子,r是离开裂纹尖端的距离,n为硬化指数,文中给出了尖端场的控制参量D,它依赖于马赫数;并且给出了各物理量的角函数。     

幂硬化可压缩材料Ⅰ型动态裂纹尖端奇异场

研究了平面应变条件下幂硬化可压缩材料中定常扩展的Ⅰ型动态裂纹尖端应力应变奇异场．采用Ｊ２流动理论和场量直角坐标分量，得到了应力应变奇异性不同时的裂纹尖端渐近场，其中场量的角变化规律和理想弹塑性材料的完全相同     

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.     

与界面相交的裂纹尖端的应力奇异性分析

为了确定与结合材料的界面相交的裂纹尖端附近的应力奇异性次数，提出了一种基于最小势能原理的一维特殊有限元法，以奇异点为原点半径r0的扇形奇异区域，可以简化为一维线性领域，即一条以代表结合材料的两个自由表面为端点的线段。对该一维线性领域作网格划分，采用三节点一维等参数二次单元。数值计算结果与已有理论解的比较表明，该方法具有很高的精度和效率，最后，利用文中给出的方法，得到了各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的奇异性次数随裂纹的变化规律。     

复合材料切口应力奇性指数计算

提出一种计算广义平面应交状态下复合材料切口应力奇性指数的新方法.在切口尖端的位移幂级数渐近展开式被引入正交各向异性材料的物理方程后,将用位移表示的应力分量代入切口端部柱状邻域的线弹性理论控制方程,切口应力奇性指数的计算被转化为常微分方程组特征值的求解.采用插值矩阵法求解该常微分方程组,可一次性地获取切口尖端多阶应力奇性指数.本法适合平面和反平面应力场耦合或解耦的情形,并可退化计算裂纹或各向同性材料切口的应力奇性指数.算例表明,所提方法对分析复合材料切口应力奇性指数是一种准确有效的手段.     

Singular behaviour and asymptotic stress field of a crack terminating at a bimaterial interface

A crack terminating at an interface of two dissimilar elastic materials is investigated. It is found that the asymptotic stress field near the crack tip is in general composed of two parts with each part being characterized by one singularity. The detailed relation of the two singularities with the bimaterial properties is given for some special cases of the crack.     

Stress intensity factors of a rectangular crack meeting a bimaterial interface

Using the hypersingular integral equation method based on body force method, a planar crack meeting the interface in a three-dimensional dissimilar materials is analyzed. The singularity of the singular stress field around the crack front terminating at the interface is analyzed by the main-part analytical method of hypersingular integral equations. Then, the numerical method of the hypersingular integral equation for a rectangular crack subjected to normal load is proposed by the body force method, which the crack opening dislocation is approximated by the product of basic density functions and polynomials. Numerical solutions of the stress intensity factors of some examples are given.     

三维切口应力奇性指数计算

将三维切口根部的位移渐近展开式引入线弹性力学平衡方程,导得关于切口应力奇性指数的特征微分方程组。再采用插值矩阵法,一次性地计算出三维切口的各阶应力奇性指数,它们具有同阶精度,并可同时获取相应的特征角函数。算例显示该法是分析三维切口应力奇异指数的一个有效的路径。计算结果表明,若直接用平面应变理论预测三维切口应力奇性指数将导致部分重要的奇性指数丢失。     

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.     

The collinear crack problem for an orthotropic functionally graded coating–substrate structure

A theoretical treatment of antiplane crack problem of two collinear cracks on the two sides of and perpendicular to the interface between a functionally graded orthotropic strip bonded to an orthotropic homogeneous substrate is put forward. Various internal cracks and crack terminating at the interface and crack crossing the interface configurations are investigated, respectively. The problem is formulated in terms of a singular integral equation with the crack face displacement as the unknown variable. The asymptotic stress field near the tip of a crack crossing the interface is examined, and it is shown that, unlike the corresponding stress field in piecewise homogeneous materials, in this case, the “kink” in material property at the interface does not introduce any singularity. Numerical calculations are carried out, and the influences of the orthotropy and nonhomogeneous parameters and crack interactions on the mode III stress intensity factors are investigated.     

Anti-plane shear crack normal to and terminating at the interface of two bonded piezoelectric ceramics

The electroelastic analysis of two bonded dissimilar piezoelectric ceramics with a crack perpendicular to and terminating at the interface is made. By using Fourier integral transform, the associated boundary value problem is reduced to a singular integral equation with generalized Cauchy kernel, the solution of which is given in closed form. Results are presented for a permeable crack under anti-plane shear loading and in-plane electric loading. Obtained results indicate that the electroelastic field near the crack tip in the homogeneous piezoelectric ceramic is dominated by a traditional inverse square-root singularity, while the electroelastic field near the crack tip at the interface exhibits the singularity of power law r^−α, r being distance from the interface crack tip and α depending on the material constants of a bi-piezoceramic. In particular, electric field has no singularity at the crack tip in a homogeneous solid, whereas it is singular around the interface crack tip. Numerical results are given graphically to show the effects of the material properties on the singularity order and field intensity factors.