边界元法计算切口多重应力奇性指数

提出采用边界元法直接计算V形切口的多重应力奇性指数。首先在切口尖端挖出一微小扇形域,在该域边界列常规边界积分方程,后将扇形域内的位移场和应力场表示成关于切口尖端距离ρ的渐近级数展开式,回代入切口边界积分方程,离散后得到关于切口奇性指数的代数特征方程,从而求解获得V形切口的应力奇性指数。该法避免了常规边界元法和有限元法在切口尖端附近布置细密单元的缺陷,并可同时求得多阶应力奇性指数。     

V形切口应力强度因子的一种边界元分析方法

将V形切口结构分成围绕切口尖端的小扇形和剩余结构两部分. 尖端处扇形域应力场表示成关于尖端距离$\rho$的渐近级数展开式,从线弹性理论方程推导出了一组分析平面V形切口奇异性的常微分方程特征值问题,通过求解特征方程,得到前若干个奇性指数和相应的特征向量. 再将切口尖端的位移和应力表示为有限个奇性阶和特征向量的组合. 然后用边界元法分析挖去小扇形后的剩余结构. 将位移和应力的线性组合与边界积分方程联立,求解获得切口根部区域的应力场、应力幅值系数和整体结构的位移和应力. 从而准确计算出平面V形切口的奇异应力场和应力强度因子.      

扩展边界元法研究围压下巴西圆盘应力强度因子

建立了扩展边界元法,研究围压作用下巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子的新途径。首先在切口尖端区域挖取一微小扇形域,将该扇形区域的位移和应力场表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,代入弹性力学控制方程,导出关于巴西圆盘切口应力奇性指数的常微分方程组特征值问题,运用插值矩阵法一次性计算出切口各阶应力奇性指数及其相应的位移特征角函数。再将位移和应力场的组合回代到在被挖去微小扇形域后的剩余结构内建立的边界积分方程,离散后求解出组合系数,同时获得巴西V形切口圆盘(SV-BD)应力强度因子。数值计算结果表明:扩展边界元法计算纯围压作用下巴西裂纹圆盘应力强度因子的结果与解析解的相对误差不超过0.548%,证明了论文方法的有效性;还表明纯围压作用下,随着切口张角的增大,巴西圆盘应力强度因子逐渐由负值向正值转化。因此,纯围压作用下,巴西裂纹圆盘和小张角巴西切口圆盘是闭合的,而大张角巴西切口圆盘是I型劈裂破坏的。     

基于哈密顿原理的两种材料界面裂纹奇性研究

研究了两种材料组成的弹性体在交界面上含裂纹时的裂纹尖端奇异场。通过变量代换及变分原理，将平面弹性扇形域的方程导向哈密体系，从而可通过分离变量及共轭辛本征函数展开法解析法求解扇形域方程，得到求解双材料界面裂纹尖点奇性的一般表达式，由此为该类问题的求解开辟了一条新途径。     

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。     

Hamilton体系下环扇形域的Stokes流动问题

基于极坐标下Stokes流的基本方程,将径向坐标模拟为时间坐标,推导了Hamilton体系下Stokes流动问题的对偶方程,采用本征向量展开法对环扇形域Stokes流动问题进行了分析,并给出了相应的实际算例,其结果说明了本文方法的有效性。     

各向异性两相材料尖劈奇性场的非协调元分析

提出了一个基于位移的、分析柱状各向异性两相材料尖劈端部邻域的奇性位移场和应力场问题的非协调元特征分析法. 该方法从柱状扇区的散度定理出发，将柱状扇区控制方程的弱式化为一个与虚功原理相同形式的方程，采用一种新的非协调元技术把所导出的``虚功原理'转化为标准一阶特征方程的求解问题. 非协调元法中，尖劈端部邻域的位移场假定没有采用奇异变换技术，有限元的单元形式是一维的. 将柱状各向异性两相材料尖劈视为``广义平面应变'问题，位移场与坐标z无关，只关注界面端的幂奇异性而不考虑对数奇异性. 运用该方法给出了柱状各向异性两相材料尖劈端部奇性应力指数、奇性位移角分布和应力角分布的算例. 所有的计算结果表明，该方法使用的单元少而且精度较高.     

两相材料V形切口应力强度因子边界元分析

建立了边界元法计算两相材料粘结V形切口奇异应力场的新途径。在V形切口尖端挖出一小扇形,将该扇形弧线边界的位移和面力表示为有限项奇性指数和特征角函数的线性组合,其组合系数即为广义应力强度因子,将该组合回代到在被挖去小扇形后的剩余结构内建立的边界积分方程,离散后可求解出组合系数,获得两相材料粘结V形切口尖端的应力强度因子。算例证明了本文方法的有效性。     

哈密顿体系在断裂力学Dugdale模型中的应用

利用平面扇形域哈密顿体系的方程，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，以解析的方法推导出基于Dugdale模型的平面裂纹弹塑性解析元列式。将该解析元与有限元相结合，构成半解析的有限元法，可求解任意几何形状和荷载平板裂纹的Dugdale模型问题。数值计算结果表明本文方法对该类问题的求解是十分有效的，并有较高的精度。     

等参奇性元在双孔边裂纹平板分析中的应用及其计算精度研究

本文用八节点等参数单元及其相应的奇性元,对两种双孔边裂纹平板的应力强度因子进行了计算。文中首先导出了平面复合型裂纹问题应力强度因子K_1、K_Ⅱ与等参奇性元节点位移间的关系式,作为用等参单元法推算应力强度因子的依据;然后,以单边裂纹板条为数值例子,对于等参奇性元尺寸的选择、裂纹段单元的配置以各种推算应力强度因子的方法与计算精度之间的关系进行了研究;最后,按一定精度的要求选择等参奇性元尺寸和裂纹段单元配置数,并以三种推算方法计算了两种双孔边裂纹平板的应力强度因子值。     

Hamiltonian principle based stress singularity analysis near crack corners of multi-material junctions

This paper presents a new method for the stress singularity analysis near the crack corners of a multi-material junctions. The stress singularities near the crack corners of multi-dissimilar isotropic elastic material junctions are studied analytically in terms of the methods developed in Hamiltonian system. The governing equations of plane elasticity in a sectorial domain are derived in Hamiltonian form via variable substitution and variational principle respectively. Both of the methods of global state variable separation and symplectic eigenfunction expansion are used to find the analytical solution of the problem. The relationships among the state vectors in different material spaces are obtained by means of coordinate transformation and consistent conditions between the two adjacent domains. The expression of the original problem is thus changed into a new form where the solutions of symplectic generalized eigenvalues and eigenvectors are needed. The closed form of expressions is established for the stress singularity analysis near the corner with arbitrary vertex angles. Numerical results are presented with several chosen angles and multi-material constants. To show the potential of the new method proposed, a semi-analytical finite element is furthermore developed for the numerical analysis of crack problems.     

裂纹扩展过程中线性内聚力模型计算的半解析有限元法

提出了求解基于线性内聚力模型的平面裂纹扩展问题的半解析有限元法,利用弹性平面扇形域哈密顿体系的方程,通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法,推导了一个环形和一个圆形奇异超级解析单元列式,组装这两个超级单元能准确地描述裂纹表面作用有双线性内聚力的平面裂纹尖端场。将该解析元与有限元相结合,构成半解析的有限元法,可求解任意几何形状和载荷的基于线性内聚力模型的平面裂纹扩展问题。典型算例的计算结果表明本文方法简单有效,具有令人满意的精度。     

Semi-analytical finite element method for fictitious crack model in fracture mechanics of concrete

Based on the Hamiltonian governing equations of plane elasticity for sectorial domain, the variable separation and eigenfunction expansion techniques were employed to develop a novel analytical finite element for the fictitious crack model in fracture mechanics of concrete. The new analytical element can be implemented into FEM program systems to solve fictitious crack propagation problems for concrete cracked plates with arbitrary shapes and loads. Numerical results indicate that the method is more efficient and accurate than ordinary finite element method.     

混凝土双K断裂参数计算的半解析有限元法

混凝土裂缝扩展的双$K$断裂准则，用于描述混凝土结构裂缝的起裂、稳定扩 展和失稳断裂. 其相应的双$K$断裂参数(起裂断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm ini} $和失 稳断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm un}$)一般通过简便的试验和基于虚拟裂缝扩展粘 聚力的解析方法确定. 利用平面扇形域哈 密顿体系的方程，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，以解析的方法推导出基于混 凝土虚拟裂缝扩展线性粘聚力模型的平面裂缝解析元列式. 将该解析元与有限元相结合，构成 半解析的有限元法，可求解任意结构几何形状的混凝土平面裂缝双$K$断裂参数的计算问题. 数值计算结果表明半解析有限元法对该类问题的求解是十分有效的.     

STRESS SINGULARITY ANALYSIS AT CRACK TIP ON BI-MATERIAL INTERFACES BASED ON HAMILTONIAN PRINCIPLE

In this paper, the stress singularity analysis at the crack tip on elastic bi-material inter-faces is considered. The governing equations of plane elasticity in sectorial domain are derived to be inHamiltonian form via variable substitution and variational principle. The methods of separation ofvariables and conjugate symplectic eigen-function expansion are developed to solve the equations insectorial domain. The general formulae for the solution of stress singularities at the crack tip on bi-ma-terial interfaces are put forward, and a new solution technique for fracture problems is presented.     

Stress singularities in an anisotropic body of revolution

To fill the gap in the literature on the application of three-dimensional elasticity theory to geometrically induced stress singularities, this work develops asymptotic solutions for Williams-type stress singularities in bodies of revolution that are made of rectilinearly anisotropic materials. The Cartesian coordinate system used to describe the material properties differs from the coordinate system used to describe the geometry of a body of revolution, so the problems under consideration are very complicated. The eigenfunction expansion approach is combined with a power series solution technique to find the asymptotic solutions by directly solving the three-dimensional equilibrium equations in terms of the displacement components. The correctness of the proposed solution is verified by convergence studies and by comparisons with results obtained using closed-form characteristic equations for an isotropic body of revolution and using the commercial finite element program ABAQUS for orthotropic bodies of revolution. Thereafter, the solution is employed to comprehensively examine the singularities of bodies of revolution with different geometries, made of a single material or bi-materials, under different boundary conditions.     

Plane infinite analytical element and hamiltonian system

IntroductionManyinfiniteproblemscanbefoundincivilengineering ,suchastunnelconstruction ,structurefoundation ,etc ..Forotherengineeringproblems,whenthephysicaldimensionsofanobjectaresmallandthesurroundingmediaorstructuresaremuchbiggerthantheobject,thenumericalcalculatingmodelcanbetreatedasoneinaninfinitefield .Sofar,onlyafewanalyticalsolutionsforinfinitefieldproblemscanbefound[1- 3].ManyprojectsrelatedtoinfinitefieldproblemsaresolvedbytheFEM ,whereinfiniteelementmethodsareused[4 ,5 ].Sometime…     

层体边界元法在二维层体断裂分析中的应用

在刚度矩阵法的基础上建立了用于进行二维多层体结构断裂分析的边界单元法（ＢＥＭＬＭ）由于ＢＥＭＬＭ的基本方程中已经包含了层体表面和裂纹缝面的边界条件，因而不需要对这些边界进行单元离散，从而其断裂分析可望有较好的精度通过与柯西积分方程法进行结合，算例表明ＢＥ ＭＬＭ是可靠并有效的     

一种新的计算各向异性材料裂纹尖端应力强度因子杂交元法

利用有限元特征分析法研究了平面各向异性材料裂纹端部的奇性应力指数以及应力场和位移场的角分布函数,以此构造了一个新的裂纹尖端单元。文中利用该单元建立了研究裂纹尖端奇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,由此提出了一种新的求解应力强度因子的杂交元法。最后给出了在平面应力和平面应变下求解裂纹尖端奇性场的算例。算例表明,本文所述方法不仅精度高,而且适应性强。     

多材料交接点裂纹无摩擦奇性应力场

在文献「１」基础上，针对工程中难于求解的多材料交接点裂纹尖应力奇性分析问题，在于哈密顿原理，通过分离变量与共轭辛本征函数地求解，利用材料间的界面连接条件与坐标变换关系，建立了应力奇性与本征函数求解的解析表达式。由于采取裂纹面接触区模型，因而不再发生振荡奇异性。