考虑闭合效应和三维应力约束的表面裂纹扩展模拟

假定承受Ⅰ型常幅载荷下的表面裂纹在扩展中的形状保持为半椭圆,利用Newman半椭圆表面裂纹应力强度因子公式计算应力强度因子。提出了等效厚度的概念,利用穿透直裂纹的研究结果,考虑表面裂纹扩展中塑性致闭和三维应力约束效应。基于Elber模型建立了三维表面裂纹扩展模型。数值模拟了表面裂纹扩展过程,研究了裂纹形状变化及规律,计算了裂纹扩展寿命。将计算结果与有关试验结果进行了对比,吻合较好。     

横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展

讨论一对集中力作用下横观各向同性体三维裂纹的瞬态扩展问题,其解答构成三维裂纹瞬态扩展问题的基本解。求解方法是基于积分变换技术,将混合边值问题化为Wiener-Hopf型积分方程,求得了裂纹所在平面应力和位移的封闭形式解。进一步利用Abel定理和Cagniard-de Hoop方法,求得了动态应力强度因子的精确解。最后通过数值结果揭示了横观各向同性材料三维扩展裂纹尖端场的动态特性。     

三维复合型疲劳裂纹扩展试验研究与数值分析

本文在MTS810试验机上进行了不同加载角度的有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验,通过显微镜记录试样的裂纹扩展过程,同时采用扩展有限元计算出有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端应力强度因子。结果表明,不同加载角度下的裂纹扩展方向基本与外载荷方向垂直,裂纹扩展路径近似为一条直线,且裂纹扩展角度值随加载角度的增大而增加,试验结果符合最大周向应力准则;在厚度方向上,Ⅰ型应力强度因子呈拱形分布,试样厚度中心Ⅰ型应力强度因子最大,由中心向两端逐渐降低,自由表面处最小,同时发现试验过程中裂纹也是从中心开始起裂,两者相符。Ⅱ型应力强度因子数值分布与Ⅰ型类似,趋近于自由表面时会发生微小突变,但其值总小于Ⅰ型应力强度因子,整个扩展过程中,Ⅰ型应力强度因子占主导。     

疲劳裂纹扩展过程中△K理论值的修正

通过聚碳酸酯紧凑拉伸试件的疲劳裂纹扩展速率试验和同时进行的光弹性实验,作者发现随着疲劳裂纹的扩展在裂纹尖端附近产生逐渐加强和扩大的残余应力场,揭示出了裂纹尖端附近的闭合效应的存在,它将使应力强度因子降低.因此,疲劳裂纹扩展过程中应力强度因子幅度△K 的理论值应该修正。本文提出了一种简便有效的修正方案.     

复合加载下疲劳裂纹扩展速率研究

本文提出了一种计算曲折裂纹尖端应力强度因子的简单方法。对一种油井钻杆材料在不同Ⅰ－Ⅱ复合比加载下的疲劳裂纹扩展行为的研究表明，Ⅱ型成分成对裂纹扩展速率有两种趋势相反的影响作用，并得到了一个计算复合型裂纹扩展速率的Ｐａｒｉｓ形式的公式。     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

建立了一种无形状约束的模拟表面裂纹在线弹性断裂力学条件下疲劳扩展的数值方法,并研究了表面疲劳裂纹形状演化和裂纹尖端应力强度因子(SIF)的分布特征。该方法以三维有限单元技术和Paris疲劳裂纹扩展规律为基础,并在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。本文第一部分主要介绍模拟三维疲劳裂纹扩展的数值方法的理论背景和相关的技术细节。着重分析和讨论基于三维有限单元法计算裂纹SIF所涉及的几个主要问题:裂纹尖端单元网格密度对估算精度的影响;自由表面的影响及其修正方法;裂纹尖端非正交单元网格的影响及修正方法。     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

三维裂纹扩展轨迹的边界元数值模拟

提出了一种对三维裂纹扩展轨迹进行数值模拟的新方法。采用一种新的具有C^1连续性、高精度的单节点二次边界单元，使边界元(BEM)的分析效率和裂纹张开位移(COD)、应力强度因子(SIF)的精度大大提高。采用裂纹张开位移全场拟合法(GCDFP)求出裂纹面前缘的SIF，所得到的SIF达到与所用的COD资料同样的精度。使用Paris公式求出裂纹前缘各点的裂纹扩展增量，并用三次B样条函数对这些增量进行拟合，得到新的光滑裂纹前缘。根据以上思想方法，开发了具有较高的计算效率和精度的数值模拟软件。此软件可以自动跟踪裂纹扩展，得到裂纹扩展的轨迹。运用该软件对椭圆和矩形裂纹的扩展轨迹进行了数值模拟。其结果与理论上的预言完全一致，裂纹最后都趋于一个圆裂纹，具有实际指导意义。     

表面裂纹疲劳扩展形状演化预测

应用新的应力强度因子经验公式预测了拉伸和纯弯曲载荷下疲劳扩展过程中表面裂纹形状的演化,并与Newman和Raju的经验公式以及实验结果进行了比较。结果表明:虽然对应力强度因子估算有一定差别,但两者对裂纹形状演化的预测有很好的一致性,预测结果与实验结果也比较吻合,从而表明所提出的经验公式能够用于预测疲劳扩展过程中表面裂纹形状演化。     

非奇异项对压剪闭合裂纹端部有限域内最大剪应力场的影响

通过研究非奇异应力项对受压剪应力作用闭合裂纹端部等差线变化的影响,得到一个描述裂纹尖端有限区城内最大剪应力场变化的表达式.以此作为根据光弹性数据确定应力强度因子的控制方程,其计算结果具有良好的收敛稳定性.本文给出了构造其它类型裂纹端部有限区城内最大剪应力场表达式的一般方法.解释了σ_(χο)及σ_(уо)在本文研究问题中的实际意义.     

Plane Problem of Three-Dimensional Stability for a Hinged Plate with Two Symmetric End Cracks

The plane stability problem for a rectangular plate with two symmetric end cracks is solved in three-dimensional formulation. The three-dimensional linearized theory of stability and the finite-difference method are used. The effect of the crack parameter on the critical load is examined__________Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 41, No. 4, pp. 47–52, April 2005.     

弹塑性材料滤波作用的研究--间接杆杆型冲击拉伸试验装置产生加载脉冲的三维弹塑性动力学有限元分析

本文对旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置建立了产生拉伸加载脉冲的三维弹塑性动力学模型 ,使用ANSYS/LSDYNA程序模拟了该装置产生加载脉冲的过程 ,分析了弹塑性材料的滤波作用。数值模拟得到的入射脉冲与实验结果吻合 ,表明该数值模型和方法是有效的。分析结果表明 ,相对于直接连接系统 ,间接连接系统中的前置金属短杆的弹塑性变形直至断裂使锤头与撞块只发生一次撞击 ,即滤去了多次撞击 ,同时滤去了金属短杆与撞块界面扰动力的高幅抖动 ,使扰动力变成幅值较低的平稳脉冲。总之 ,前置金属短杆的作用相当于一个低阈值的低通滤波器。本模型还可为合理确定试验方案以及为改进和设计新的冲击拉伸试验装置提供依据和方法     

薄壁异形环截面管材料环向动态拉伸特性测试

针对薄壁异形环截面管状结构,结合有限元分析,提出了基于Hopkinson拉杆技术的环向材料动态拉伸实验方法;设计了特殊的夹具,采用空心透射杆提高透射波幅值;并对1Cr18Ni9Ti材料薄壁异形环截面管状结构进行不同应变率下的冲击拉伸实验。实验结果表明,该实验方法可适用于这种薄壁异形环截面管状结构,该结构具有良好的塑性变形能力,断裂应变随应变率的提高明显降低,拉伸强度随应变率的提高明显增大。     

非共面半椭圆形表面裂纹群问题的现代分析法

本文发展了体积力法的工作,建立了能有效地分析半无限体中交错型表面裂纹群相互干涉效应的改进型体积力法。在数值分析上,本文还作了以下两点修正:一、从直觉的物理概念出发,考虑了材料泊松比对应力强度因子的影响;二、从应力影响系数的物理意义出发,提出了能有效地处理复合型表面裂纹耦合积分奇异性问题的间接法。作为改进法的应用,本文给出了二个形状比相同的非共面半椭圆形表面裂纹相互干涉效应的计算结果。     

三维裂纹扩展的自适应虚拟节点法

在有限元方法的框架下针对三维裂纹扩展问题发展了 自适应虚拟节点法.该方法采用无需裂尖加强函数(和相应的额外自由度)的虚拟节点技术描述裂纹处的间断,并采用单元局部水平集方法对三维裂纹面进行几何描述和追踪.为加速计算,提出了随裂纹面扩展的 自适应网格加密方法.局部细化网格产生的悬空节点由简便的约束近似技术处理,无需引入额外自由度或特殊单元.发展的自适应虚拟节点法便于数值实现,具有与标准有限元方法相当的鲁棒性.数值结果表明,该方法可有效模拟三维裂纹扩展过程,且能方便地应用于复杂工程结构的多裂纹扩展问题.     

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.     

拉伸载荷作用下共面表面裂纹间应力强度因子影响系数的有限元分析

采用参数化有限元方法,结合节点力法和循环迭代算法,对一有限厚矩形板表面有两个相邻共面半椭圆表面裂纹在拉伸载荷作用下进行了求解,得到了两裂纹在不同形状和相隔距离时的应力强度因子的影响系数,计算结果对含三维广布裂纹结构的剩余强度和疲劳寿命有参考意义.