断裂分析中的随机有限元方法

以单边裂纹板为例给出计算断裂参数;J（J积分）、δ（裂纹张开位移）、△c(由裂纹引起的上、下端面的相对位移）、θc(由裂纹引起的上=下端面的相对转角）及其对基本随机变量变化率的随机有限元方法。     

拉载下环向穿透裂纹位于圆柱壳固定端的弹塑性解

基于薄壳半膜力理论和Dugdale模型,针对环向穿透裂纹位于其固定端的圆柱壳,推导了其在轴拉载荷作用下的裂纹尖端张开位移(CTOD)、J积分、由裂纹所引起的附加变形等一套相对完整的弹塑性解。除少数数值求根外,均为显式计算,并可涵盖塑性破坏。该解可方便地用于不同断裂参数、裂纹长度以及几何参数的系列计算,弥补了目前缺乏本问题理论解析解的不足。     

通过裂纹开口位移(CMOD)对J积分预测的方法研究

讨论推导J积分和裂纹开口位移(CMOD)的关系,提出了一种通过测量裂纹开口位移(CMOD)估算J积分的方法．以三点弯曲试件冲击断裂试验为例,借助试验高速摄影机对断裂过程的记录影像提取的压头下压位移和裂纹开口位移,运用ABAQUS软件做有限元仿真分析对比,较好的说明了J积分与CMOD的存在正比关系．通过公式可以看出在材料和几何形状不变的情况下其正比关系中因子β是固定值,与远场载荷无关．应用因子β有助于用一个简单加载情况估测受力情况复杂的部件裂纹处的J积分．算例表明,因子β对于J积分的估算偏于保守,这一结论在工程实际应用中有着参考价值．     

非稳态蠕变裂纹断裂力学参量的工程分析方法

推广弹塑性断裂力学的EPRI工程分析方法用于蠕变裂纹分析,建立了弹性-幂律蠕变材料裂纹体在非稳态蠕变条件下的J积分、C积分和载荷线位移的工程估算公式。以受均匀拉伸的平面应变单边裂纹板为例,对若干种典型的时间相关载荷,与有限元解进行了比较,结果表明,工程估算公式具有相当高的精度。     

裂纹表面承受均布载荷时的应力强度因子及裂纹张开位移的边界配位法

本文针对裂纹表面承受载荷时的应力条件，提出了新的应力函数，对于各种裂纹模型、各种边界条件、各种边界形状、裂纹表面自由或承受均布载荷等均适用。并利用边界配位法，计算了裂纹表面承受均布载荷时的方型板内中心裂纹的应力强度因子（ＳＩＦ）及裂纹的张开位移（ＣＯＤ）。     

双轴载荷作用下源于椭圆孔的分支裂纹的一种边界元分析

利用一种边界元方法来研究双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹．该边界元方法由Crouch与Starfied建立的常位移不连续单元和笔者提出的裂尖位移不连续单元构成．在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界,文中算例说明本数值方法对计算平面弹性裂纹的应力强度因子是非常有效的。该文对双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹的数值结果进一步证实本数值方法对计算复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示双轴载荷及裂纹体几何对应力强度因子的影响。     

J积分在分层非均匀介质裂纹问题中的应用

本文对分层非均匀介质裂纹问题的J积分进行了研究,旨在把J积分方法用于焊接接头或分层复合材料的断裂分析。利用弹塑性有限元和本文给出的分层介质J的数值计算方法,在各种载荷水平下对含有软夹层的非均质中心裂纹板的J值进行了计算。软夹层中的裂纹平行于或垂直于夹层与基体的分界,分别按Rice的J积分定义和本文的适用于一般多层介质裂纹问题的J的修正定义进行分析计算。考察了软夹层相对宽度对J积分值的影响。     

多参量断裂力学广义杂交/混合裂纹有限元法

通过研究广为人知的断裂力学单变量八节点位移裂纹QPE元和Akin族奇异单元法，本文运用经典局部裂纹解析解，与非协调假设应力杂交-混合元列式方法相结合，提出用于分层各向异性材料的多变量半解析假设应力奇异广义杂交／混合裂纹有限元法，能克服现有位移裂纹元法的域应力分布精度低和高次单元所需计算容量大的局限性，互为补充，更有利于结构裂纹扩展分析和应用研究。文中设计了一个半解析奇异裂纹平面单元，各向同性材料板算例验证了退化二次八节点协调位移裂纹元及六节点非协调奇异应力裂纹元，说明采用稀疏及加密单元网格，两类裂纹单元分别从上下逼近收敛于实验和理论参考解，可得到吻合程度较好的1／√r奇异应变和应力分量以及应力强度因子值，表明了本文奇异裂纹单元理论的优越性。     

层状非均匀材料边裂纹引起的J积分变化量分析

均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分为零,层状非均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分通常不为零且与路径相关。在位移载荷保持不变条件下引入裂纹会使J积分改变,本文分析引入裂纹所导致的远场J积分变化量,即有裂纹时与无裂纹时沿同一远场路径的J积分之差,其值等于裂尖J积分与界面J积分变化量之和。对于层状非均匀材料,虽然无裂纹时和有裂纹时的远场J积分、界面J积分都与路径相关,但当积分路径远离裂尖后,有裂纹与无裂纹时的远场J积分之差、界面J积分之差与路径无关,引入裂纹所引起的远场J积分变化量等于边界应变能密度释放量沿边界的积分。对于均匀材料半无限大平面的边裂纹,裂纹能量释放率等于无裂纹时应变能密度与8倍裂纹长度的乘积;对于层状材料的边裂纹,裂纹能量释放率等于应变能密度释放量沿边界的积分减去界面J积分变化量。     

中心小裂纹的弹塑性分析

用修正能量法得到含中心小裂纹平板在均匀载荷作用下的J积分和张开位移的全塑性解。并用弹塑性分析的工程方法得到相应的弹塑性解。结果与无限大板的解作了比校,表明当a/b≤0.05时两者的差别小于5％。而对于a/b>0.05的情况,把无限大板的解用于中心小裂纹的板条可能会产生较大的误差。     

黏弹性界面断裂分析的增量“加料”有限元法

提出了一种适用于黏弹性界面裂纹问题的增量“加料” 有限元方法. 利用弹性界面裂纹尖端位移场的解答,通过对应原理和拉普拉斯逆变换近似方法,得到了黏弹性界面裂纹的尖端位移场. 用该位移场构造了黏弹性界面裂纹“加料” 单元和过渡单元位移模式,推导了增量“加料” 有限元方程,求解有限元方程可获得应力强度因子和应变能释放率等断裂参量. 建立了典型黏弹性界面裂纹平面问题“加料” 有限元模型,计算结果表明,对于弹性/黏弹性界面裂纹和黏弹性/黏弹性界面裂纹,该方法都能得到相当精确地断裂参量,并能很好地反映蠕变和松弛特性,可推广应用于黏弹性界面断裂问题的计算分析.      

任意多孔多裂纹有限大板的应力强度因子分析

采用各向异性体平面弹性理论中的复势方法,以Faber级数为工具,应用保角映射技术和最小二乘边界配点法,导出内边界条件精确满足,外边界条件近似满足的含多椭圆孔及裂纹群有限大板在任意载荷作用下的应力场、位移场的级数解,建立了任意多椭圆孔及裂纹群有限大板应力强度因子的有效分析方法,讨论了各参数对裂尖应力强度因子及孔边应力集中的影响．数值结果表明,该方法具有计算精度高、收敛速度快、方便快捷等优点,有利于全面系统地研究各参数对结构断裂性能的影响．     

A new finite element method for strain gradient theories and applications to fracture analyses

A new compatible finite element method for strain gradient theories is presented. In the new finite element method, pure displacement derivatives are taken as the fundamental variables. The new numerical method is successfully used to analyze the simple strain gradient problems – the fundamental fracture problems. Through comparing the numerical solutions with the existed exact solutions, the effectiveness of the new finite element method is tested and confirmed. Additionally, an application of the Zienkiewicz–Taylor C1 finite element method to the strain gradient problem is discussed. By using the new finite element method, plane-strain mode I and mode II crack tip fields are calculated based on a constitutive law which is a simple generalization of the conventional J₂ deformation plasticity theory to include strain gradient effects. Three new constitutive parameters enter to characterize the scale over which strain gradient effects become important. During the analysis the general compressible version of Fleck–Hutchinson strain gradient plasticity is adopted. Crack tip solutions, the traction distributions along the plane ahead of the crack tip are calculated. The solutions display the considerable elevation of traction within the zone near the crack tip.     

Numerical plane stress elastic–perfectly plastic crack analysis under Tresca yield condition with comparison to Dugdale plastic strip model

A number of plane stress numerical analyses of the mode I elastoplastic fracture mechanics problem have been performed in the past using the Huber–Mises yield criterion. This study employs instead the Tresca yield condition using an incremental theory of plasticity for a stationary crack. A commercial finite element program is used to solve the opening mode of fracture problem (mode I) for a square plate containing a central crack under generalized plane stress loading conditions. A biaxial uniform tensile traction is applied to the edges of a thin plate composed of a linear elastic non-work hardening material under small strain assumptions. The finite element results are compared with the analytical predictions of the Dugdale plastic strip model for a crack in an infinite plate subject to a biaxial uniform load at infinity.     

Interaction of microcracks with a macrocrack yielded in a narrow strip

Plastic zone growth of collinear cracks has had a longstanding interest in ductile fracture. This work further considers yield zone growth in an isotropic, homogeneous elastic–perfectly plastic infinite plate containing a macrocrack with several neighboring microcracks. Normal loading is considered at distances far away from the cracks. The strip yield is adopted where the plastic zone is assumed to be confined to two narrow strips extending from the ends of a finite length crack while the microcracks are assumed to be elastic. The plastic zone length and crack opening displacement are found from asymptotic solution and compared with finite element solution.     

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     

PZT-4紧凑拉伸试样的断裂分析

基于线性压电材料的复势理论,通过解析分析,导出了一种分析有限压电板裂纹问题的解析数值方法. 首先,计算了含中心裂纹有限板的断裂参数,与Woo和Wang的解析数值法(Int J Fract, 1993, 62: 203$\sim$218)相比较,表明该方法具有很高的精度和很好的计算效率. 随后,采用该方法和有限元法计算了PZT-4紧凑拉伸试样在绝缘裂纹面边界条件下断裂时的断裂参数,发现各断裂参数的临界值分散性很大,不能作为压电材料的单参数断裂准则. 进而,针对试样真实的裂隙形状,采用有限元法计算了裂隙尖端的应力、电位移场,比较了裂隙内介质的介电性能对裂隙尖端场的影响,计算了带微裂纹的真实裂隙模型的断裂参数并进行了理论分析.      

Strain energy release rate for interfacial cracks in hybrid beams

The finite element modeling and fracture mechanics concept were used to study the interfacial fracture of a FRP-concrete hybrid structure. The strain energy release rate of the interfacial crack was calculated by the virtual crack extension method. It is shown that the crack growth has three phases, namely, cracking initiation, stable crack growth and unstable crack propagation. The effects of geometric and physical parameters of the hybrid beam on the energy release rate were considered. These parameters include Young’s moduli of the FRP, the concrete and the adhesive, thickness of the FRP plate and adhesive, and the distance of FRP plate end from the beam end. The numerical results show that the energy release rate of the interfacial crack is influenced considerably by these parameters. The present investigation can contribute to the mechanism understanding and engineering design of the hybrid structures.