低温荷载下沥青路面非线性疲劳损伤数值模拟

为了研究沥青路面结构在温度荷载作用下的疲劳损伤特性,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立了考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型。分析了沥青路面结构损伤、水平拉应力基于温度荷载重复作用,随空间与时间的变化规律,以及沥青路面裂纹形成寿命。结果表明:损伤主要分布在沥青面层;随着温变次数的增加,面层表面的损伤度呈线性增加;面层表面损伤度均随着面层模量与温变幅度的增加而增加;面层表面水平拉应力随着温度变化次数的增加,以线性特征逐步减小;面层表面水平拉应力随着面层模量与温变幅度的增加均是先增大后减小,有一个峰值点;沥青路面面层的温度型裂纹疲劳形成寿命与面层模量有关,模量越大,裂纹形成疲劳寿命越短,因此从温度疲劳寿命的角度来说,面层不宜选择模量过大的沥青混合料。     

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的,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。     

疲劳裂纹扩展门槛值的研究进展

Ⅰ.引言 大量的研究和疲劳裂纹扩展的试验表明,对于存在一定尺寸裂纹及缺陷的材料或构件,只有当裂纹尖端的应力强度因子达到或超过某一值时,裂纹才会在交变应力的作用下扩展。当裂纹尖端的应力强度因子小于这一值时,裂纹在交变应力作用下不发生扩展。这个应力强度因子值,就是界限应力强度因予幅值△K_(th),在疲劳研究中称为裂纹扩展的门槛值。 门槛值△K_(th)和疲劳裂纹扩展速率da/dN一样,是反映带裂纹或缺陷构件抗疲劳性能的     

估算裂纹应力强度因子的新方法

根据裂纹形状与裂纹尖端应力强度因子分布之间的固有关系，在线弹性断 裂力学条件下，提出了一种按已知I型裂纹应力强度因子分布规律求裂纹形状及相应应力强 度因子的无梯度迭代法. 通过有限厚度、有限宽度板穿透裂纹和表面裂纹的数值模拟实例验 证了所提出方法的有效性和实用性，并对不同应力强度因子分布规律对裂纹形状以及相应的 应力强度因子大小的影响进行了分析和讨论. 所提出的方法有助于提高实际扩展裂纹应 力强度因子的估算精度以及更合理地预测疲劳裂纹形状演化.     

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.     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟(Ⅱ)

根据Paris疲劳裂纹扩展规律,对拉伸和纯弯曲疲劳载荷下表面裂纹扩展进行了数值模拟。数值模型中,用三次样条函数曲线拟合裂纹尖端,在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。裂纹形状演化的模拟结果与Newman和Raju经验公式预测结果进行了比较,表明了所采用的数值模拟方法的实用性。研究发现,裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形状演化以及裂纹尖端的应力强度因子(SIF)分布都有明显影响。同裂纹形状演化一样,疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的SIF分布表现出明显的特征。最后,建议了一个简单函数来统一描述表面裂纹尖端的SIF分布。     

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。     

试验确定自增强圆筒的表面裂纹K1因子和疲劳扩展规律

本文提供了一种可以进行自增强处理的圆筒试样,通过实验用柔度法确定了该试样的表面裂纹的应力强度因子,介绍了含表面裂纹试样的柔度测试技术,导出了柔度与表面裂纹尖端前缘各点的应力强度因子的关系式,该式可作为各种含表面裂纹试样柔度法测表面裂纹 K_1因子的参考,本文还测定了不同自增强程度下,自增强圆筒的表面裂纹疲劳扩展规律。     

CT试样三维疲劳裂纹扩展数值模拟

在循环载荷下疲劳裂纹的裂纹形貌在稳定扩展区近似为半椭圆形状,因此通过Paris方法根据疲劳裂纹表面尖端点应力强度因子的变化幅值(△K)得到扩展速率与真实的裂纹速率会有误差.为了更好的研究疲劳裂纹的性质,本文通过分析紧凑拉伸(CT)试样的疲劳裂纹扩展后的三维形貌,采用Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和疲劳准则以...     

滚动接触下的轨道表面三维裂纹研究方法

针对已有的求解三维裂纹的应力强度因子方法工作量大、难以实现复杂的三维模型建立的问题,提出了一种求解广义移动荷载下三维裂纹尖端应力强度因子的普遍方法。采用包络式三维实体建模方法,有效避免了三维裂纹有限元模型网格划分时因受限于拓扑误差容忍而出现网格划分失败的现象;通过MATLAB三维插值施加节点荷载,解决了不规则三维裂纹有限元模型施加复杂空间荷载的难题。计算结果表明:荷载中心距离裂纹中心约4mm时裂纹尖端应力强度因子达到最大值7.41×107Pa·m1/2;轮轨接触疲劳以张开型为主。此外,给出了最大应力强度因子条件下裂纹尖端塑性区的分布及裂纹扩展情况,可为轮轨滚动接触疲劳的研究及设计提供一定的参考。     

裂纹尖端附近三维效应区的有限元分析

基于Kane-Mindlin关于弹性平板面内问题位移的运动学假设,本文首次推导了一种考虑板厚效应的平板面内问题的有限元格式。将Kane-Mindl.n假设推广到弹塑性问题,推导了相应的有限元方程.对双边及中心裂纹拉伸试件的计算结果表明,裂纹尖端附近的弹性三维效应区尺寸和板厚相当.对线性硬化弹塑性材料,当切线模量E_t和弹性模量E之比E_t/E大于0.2时,三维效应区在两倍板厚以内.     

多裂纹扩展分析的边界元方法

采用边界元数值模拟和即时等效材料常数计算相结合的办法，只需模拟一个裂纹的扩展情况便可预测裂纹体的整体响应。针对准脆性材料的特点，采用粘性裂纹模型模拟裂纹开裂行为；采用二次裂纹扩展量作为增量控制变量，避免了软化及失稳分析中用力或位移作控制变量时遇到的困难。针对二交裂纹扩展路径未知情况，给出了预测和修正裂纹开裂界面的迭代技术，分析计算了含多个规则分布裂纹石膏板受压时的响应，并与实验结果进行了比较。结果表明该文方法的可行性与有效性。     

高分子材料中拟断裂引起的裂纹的边界元分析

本文发展了一个粘弹性界元法，根据拟断裂引起断裂的力学模型和时间相关的能量吸收率原理，研究了高分子材料中裂纹的时间相关的张开位移、表面应力和扩展特性等，数值计算结果与实验结果、理论结果进行比较，具有很好的一致性。     

Analysis model to simulate the cracked pipe buried in soil

This paper describes the use of the finite element method to simulate crack propagation in a pipeline in the presence of soil backfill. Since typical values for soil modulus are known, a spring element can be used to simulate the effects of backfilled soil on crack propagation. This consists of the relationship between the soil property and the stiffness of the spring element, and the effect of backfill depth on the crack propagation in the pipes. By equating crack driving force,G, in the presence of soil, to the dynamic fracture toughness of the pipeline material, a theoretical predictive capability is obtained for the first time for the gas transmission and distribution pipelines. Numerical calculations have also been carried out for the cracked pipe with backfill and without backfill.     

黏弹性功能梯度材料裂纹问题的有限元方法

针对组分材料体积含量任意分布的黏弹性功能梯度材料裂纹问题建立有限元分析途径. 通过Laplace变换,将黏弹性问题转化到象空间中求解,基于反映材料非均匀的梯度单元和裂纹尖端奇异特性的奇异单元计算象空间中的位移、应力和应变场,应用虚拟裂纹闭合方法得到应变能释放率,分别由应力和应变能释放率确定应力强度因子. 给出这些断裂参量在物理空间和象空间之间的对应关系,由数值逆变换求出其在物理空间的相应值. 文中分析两端均匀受拉的黏弹性边裂纹板条,首先针对松弛模量表示为空间函数和时间函数乘积的特殊梯度材料进行计算,结合对应原理验证方法的有效性. 然后分析组分材料体积含量具有任意梯度分布的情形,由Mori-Tanaka方法预测象空间中的等效松弛模量. 计算结果表明,蠕变加载条件下,应变能释放率随时间增加,其增大程度与黏弹性组分材料体积含量相关. 由于梯度材料的非均匀黏弹性性质,产生应力重新分布,导致应力强度因子随时间变化,其变化范围与组分材料的体积含量分布方式有关.     

Numerical modeling of PZT-induced Lamb wave-based crack detection in plate-like structures

This paper presents the numerical modeling and simulations of PZT-induced Lamb wave propagation in plate-like structures by using the spectral finite element method. A novel spectral plate finite element, which can efficiently model the three-dimensional (3D) behavior of Lamb waves, is proposed. In the formulation, linear displacement distributions in the thickness direction are assumed for both the PZT layer and the base plate. A way to avoid the thickness locking is proposed and used in the formulations. Two examples, one for the validation of the proposed two-dimensional (2D) spectral finite element and the other for the demonstration of crack detection in plates, are presented and discussed. The contact between the two faces of crack is considered. Numerical results show that (1) only the anti-symmetric mode is prone to thickness locking thus remedy should be made only on this part, (2) the proposed 2D spectral finite element can adequately model the Lamb wave propagation in plate-like structures and the complex scattering for the crack, and (3) crack location can be well determined by a PZT-induced Lamb wave-based diagnosis algorithm.     

状态向量的扩展有限元方法研究

利用哈密顿正则方程的半解析法计算单元位移场和应力场,可以得到精度比较高的解.但此半解析法在计算应力尖峰区域时,该区域要细化网格.当裂纹扩展时,又要重新生成刚度矩阵进行求解,导致求解效率降低.利用扩展有限元处理裂纹的不连续性,当裂纹扩展时可以避免网格的重构.为充分利用状态向量方程和扩展有限元的优势,该文将两者结合起来分析材料的断裂问题:计算应力强度因子和模拟裂纹扩展.最后通过算例分析,验证了该文提出方案的可行性.     

Cracking simulation of a tubesheet under different loadings

For shell-and-tube heat exchangers, tubesheet cracking is a major failure form. Owing to complicated structures, loadings and environments, mechanisms for the crack nucleation and propagation often puzzle engineers and as a result, it is hard to take effective measures to prevent this kind of failure from happening again. In this paper, three dimensional finite element models were established to investigate a real tubesheet cracking with the emphasis on the driving forces for the crack propagation from a fracture mechanics point of view. Three different loadings, namely residual expansion stress, crack face pressure and transverse pressure, and three crack growth patterns were considered. In order to obtain the residual stresses, the hydraulic expanding process of tube-to-tubesheet joint was simulated. Residual contact pressures between the tube and tubesheet and the induced residual stress distributions in the tubesheet were computed. The possibility for crack propagation in the tubesheet under the action of the different loadings was investigated in terms of the strain energy density factor. Results show that surface crack propagation may be driven by all the three loadings especially the transverse pressure. But when surface cracks come into the interior of the tubesheet along the thickness, as acted along the whole tubesheet thickness, the residual expansion stress would play key roles in crack propagation.     

Boundary element analysis of interaction between an elastic rectangular inclusion and a crack

The interaction between an elastic rectangular inclusion and a kinked crack inan infinite elastic body was considered by using boundary element method. The new complexboundary integral equations were derived. By introducing a complex unknown function H(t)related to the interface displacement density and traction and applying integration by parts,the traction continuous condition was satisfied automatically. Only one complex boundaryintegral equation was obtained on interface and involves only singularity of order l/ r. Toverify the validity and effectiveness of the present boundary element method, some typicalexamples were calculated. The obtained results show that the crack stress intensity factorsdecrease as the shear modulus of inclusion increases. Thus, the crack propagation is easiernear a softer inclusion and the harder inclusion is helpful for crack arrest.     

基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法研究

为提高数值计算的精度, 断裂力学问题的数值模拟需要在裂纹扩展的局部区域采用较密的网格, 而远离裂纹扩展的区域可采用较疏的网格, 且对于裂纹扩展问题的数值模拟, 大多数数值方法又存在局部网格重剖分的问题. 论文提出了一种基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法用于模拟裂纹扩展问题, 该方法可根据结构域几何外边界的图像全自动进行四叉树网格剖分, 无需任何人工干预, 网格剖分效率极高, 由于比例边界有限元法本身的优势, 四叉树网格的悬挂节点可以直接地视为新的节点, 无需任何特殊处理. 通过引入虚节点的思想, 将裂纹与四叉树单元边界交叉点作为虚节点, 虚节点的自由度作为附加自由度处理, 并采用水平集函数表征材料内部的裂纹面, 含不连续裂纹面的子域可通过节点水平集函数识别, 使得裂纹扩展时无需进行网格重剖分, 界面的几何特征通过比例边界有限元子域的附加自由度表征. 最后, 通过若干算例验证了该方法的性能, 建议的改进型比例边界有限元法在求解复合型应力强度因子和模拟材料内部裂纹扩展路径时均具有较高的精度.