热机载荷作用下三维界面裂纹问题的权函数法分析

热机载荷共同作用下双材料和复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹.由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,因此在求解复杂冲击载荷下界面裂纹应力强度因子随时间的变化过程时,避免了反复的应力分析,计算效率得到提高.根据Betti互易原理,论文推导出三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式.通过与实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度.     

求解变分型积分方程的一种新型数值方法——有限变分法

将作者提出的多虚拟裂纹扩展法(MVCE法)拓展为求解变分型积分方程问题的一种新型数值方法——有限变分法(FVM)。它的基本思想是,给定有限个(N个)局部变分模式,将所求解的未知量用适当的方法离散化,针对这N个局部变分模式列出N个方程,求解N个未知系数,从而求得未知量。单一未知变量FVM的最终方程组的系数矩阵通常是一个对称的窄带矩阵,对角元是大数,有很好的数值计算性能。用FVM求解了三维I型裂纹前缘的应力强度因子(SIF)分布。利用基于FVM的通用权函数法计算程序,可以高精度和高效率地求解表面力、体积力和温度载荷共同作用情况下三维裂纹前缘SIF的分布及其时间历程。FVM可以被推广到更广泛的领域,是一个求解变分型积分方程问题的普遍适用的新型数值方法。     

焊趾表面裂纹的形态发展曲线与疲劳寿命预测

以作者建立的焊地椭圆表面裂纹应力强度因子数据库以及复杂应力场中焊践半随圆表面裂纹前缘应力强度因子分布计算的基本模式法为基础上,给出了复杂应力场中焊践表面表纹在疲劳扩展过程中形态变化规律及寿命的工程分析方法。     

焊趾表面裂纹应力强度因子计算的基本模式法

给出一个用来计算对接和角接焊接接头焊趾半椭圆表面裂纹在复杂应力场中，例如在残余应力场中，裂纹前缘应力强度因子（ＳＩＦ）分布的工程实用计算法——基本模式法。本文先通过高自由度的三维有限元分析，给出接头和裂纹几何参数Ｔ１／Ｔ、ａ／Ｔ、ａ／ｃ一系列组合的基本几何模型（文中给出２７种）在选定的基本应力模式（本文给出８种）作用下，沿裂纹前缘的ＳＩＦ分布，并形成一个数据库。利用这些基本模式解的插值和组合，可以非常迅速地求得一般几何参数情况下焊趾半随圆表面裂纹在复杂应力场中沿裂纹前缘的ＳＩＦ分布。在本方法中，可以考虑角接接头板厚比Ｔ１／Ｔ对ＳＩＦ分布的影响。计算过程极简单而迅速，因此特别适用于疲劳裂纹扩展行为及寿命计算问题。     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

应用通用权函数法计算热机载荷作用下三维界面裂纹的应力强度因子

热机载荷共同作用下双材料、复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处，并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹，传统的求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹应力强度因子的数值方法如有限元、边界元法计算量大，计算效率低。由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关，与载荷、时间无关，求解应力强度因子时避免了反复的应力分析，计算效率大大提高, 通用权函数法非常适合计算复杂冲击载荷下应力强度因子分布的过渡过程。根据Betti互易原理，本文推导出了三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式，并给出了热机载荷共同作用下三维界面I型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式. 通过实例计算比较，表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度。     

热冲击应力强度因子过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关。由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析,计算过程大大简化,计算效率得到极大的提高。本文将热权函数与有限元法直接耦合,给出了基于刚度阵导数法和Gauss-Chebyshev积分的热权函数计算格式。实例计算表明,本文给出的热权函数计算格式具有满意的计算精度。     

三维热权函数法和多虚拟裂纹扩展技术

热权函数法直接利用温度场与热权函数的乘积的积分来求应力强度因子(SIF)的过渡过程，它可以免除对每一时刻进行热弹性力学有限元或边界元应力分析，计算效率大大提高。本文给出了三维热权函数法的基本方程，并提出了求解三维热权函数法基本方程的多虚拟裂纹扩展法(MVCE法)。在MVCE法中，可以引入无穷多个虚拟裂纹扩展模式；虚拟裂纹扩展模式与应力强度因子的插值直接相联系，所得到的方程组的系数矩阵是一个三对角矩阵，具有良好的计算性能。它对于裂纹前缘SIF分布急剧变化的情况，有良好的数值模拟能力。实例计算表明，MVCE法具有权高的计算效率，并具有很高的计算精度。     

求解平面和轴对称热冲击问题的热权函数有限元法

根据三维通用权函数法的普遍表达式,给出了轴对称问题和平面问题热权函数法的基本公式,并利用刚度阵导数法,将热权函数法与有限元法直接耦合,给出了二维问题的热权函数有限元法计算格式,实例计算表明,该文给出的计算方法具有极高的计算效率和满意的工程应用精度。     

求解三维裂纹前缘SIF分布时间历程的通用权函数法和有限变分法

将三维热权函数法扩展为适用于表面力、体积力和温度载荷的通用权函数法(UWF).推导出以变分型积分方程表达的UWF法基本方程,从变分的角度,将求解三维热权函数法基本方程的多虚拟裂纹扩展法(MVCE)改造为可以适用于一般的变分型积分方程的一类新型数值方法--有限变分法(FVM).在FVM中可以引入无穷多种线性无关的局部变分模式,可以根据计算要求在求解域中插入任意多个计算节点,单一型裂纹问题FVM所得到的最终方程组的系数矩阵总是一个对称的窄带矩阵,而且对角元总是大数,具有良好的数值计算性能.FVM对于SIF沿裂纹前缘急剧变化的复杂情况具有较好的数值模拟能力和较高的计算精度,利用自身一致性,可以求得三维裂纹前缘SIF的高精度解.