基于奇异强度因子的V型切口应力场和N-SIF评估方法

根据线弹性断裂力学理论,V形切口处的应力场具有奇异性,应力值趋于无穷大,峰值应力不能直接用于评定疲劳强度。通过引入了奇异强度因子“as”,单边缺口应力分布和缺口应力强度因子(N-SIF)的半解析公式被推导。考虑张开角和几何尺寸等因素,基于奇异强度因子拟合得到了切口应力评估的简易公式,可用于切口应力场和N-SIF值的快速评估。将简易公式评估结果与有限元结果以及传统文献结果进行对比分析,结果表明,本文简易公式可以准确地预报拉伸载荷下单边V型切口角平分线上的应力场和N-SIF值,实现了切口试样应力场的快速评估。     

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。     

插值矩阵法分析双材料平面V形切口奇异阶

对二维V形切口问题提出奇异阶分析的一个新方法.首先,以V形切口尖端附近位移场沿其径向渐近展开为基础,将其线弹性理论控制方程转换成切口尖端附近关于周向变量的常微分方程组特征值问题,然后将数值求解两点边值问题的插值矩阵法进一步拓展为求解一般常微分方程组特征值问题,插值矩阵法是在离散节点上采用微分方程中待求函数的最高阶导数作为基本未知量.由此,V形切口的应力奇性阶问题通过插值矩阵法获得,同时相应的切口附近位移场和应力场特征向量一并求出.     

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.     

非奇异应力对中央含V形切口试样断裂性能的影响

采用Williams渐近展开式表达V形切口尖端附近区域的位移场和应力场,将其代入弹性力学基本方程中,应力奇异性指数及其对应的位移和应力角函数由求解常微分方程组获得。由于在远离切口尖端的区域无应力奇异性,将切口尖端应力奇异性区域移出后,应用边界元法分析无应力奇异性的剩余结构;将Williams渐近展开式与弹性力学边界积分方程结合,解出切口尖端附近应力奇异性区域的各应力场渐近展开项系数,从而获得切口尖端附近区域的完整应力场;基于此,研究了非奇异应力项对中央含V形切口试样的表观断裂韧度和临界荷载预测值的影响。结果表明：考虑非奇异应力项时,脆性断裂的表观断裂韧度和临界荷载的预测值要比忽略非奇异应力项时的预测值更接近实验值。     

基于应力比值法的V形切口应力强度因子分析

本文基于有限元分析技术建立了一种应力比值方法,用于计算V形切口的应力强度因子。该方法不需要在V形切口尖端采用反映应力奇异性的奇异单元。求解时,首先给定参考问题的广义应力强度因子,然后利用待求问题的应力值与参考问题的应力值之间的比值来求解待求问题的广义应力强度因子。算例采用切口尖端应力方法分析了平板的V形切口问题。计算结果表明,该方法计算精度较高,能够方便地用于求解相关的工程问题。     

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.      

正交异性材料V型切口反对称变形下的尖端场

基于正交各向异性材料弹性平面问题的通解,导出了正交各向异性材料奇异点附近的位移场和奇异应力场的解析表达式,由此给出了反对称变形模态下V型切口尖端附近的位移场和奇异应力场的解析解,通过算例难证,解析解与有限元解吻合得非常好.研究结果表明,正交各向异性材料V型切口尖端附近的应力奇异性不仅与切口的张角有关,还与材料的弹性常数有关.     

含界面裂纹Reissner板弯曲问题分析的奇异单元

首先,采用特征函数渐近展开法,推导了Reissner板弯曲界面裂纹尖端附近位移场渐近展开的前两阶显式表达式,并利用所获得的位移场渐近表达式构造了一种可用于Reissner板弯曲界面裂纹分析的奇异单元。然后,将该奇异单元与外部的常规有限单元相结合,开展了含界面裂纹Reissner板弯曲断裂问题的数值分析。奇异单元可以较好地描述裂纹尖端附近的内力场与位移场,其优势是它与常规单元进行连接时不需要使用过渡单元,并且可以直接给出应力强度因子等断裂参数的高精度数值结果。最后,通过两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

垂直于界面V型缺口尖端的应力奇异性及其应用

基于双材料垂直于界面V型缺口理论,给出了单一材料和双材料裂纹问题、V型缺口问题应力强度因子的统一定义,得到了应力外推法计算双材料K_I的公式,数值算例验证了本文方法的有效性.以双材料单向拉伸和三点弯曲模型为对象,深入研究了双材料中弹性模量、泊松比、缺口深度、缺口张角对缺口尖端奇异应力场的影响,获得了一定范围内各种参数变化对缺口尖端奇异应力场的影响规律,为异体材料形成的V型缺口在应力断料中的应用提供了必要的参考依据.     

METHOD TO CALCULATE STRESS INTENSITY FACTOR OF V-NOTCH IN BI-MATERIALS

Based on Zak＇s stress function, the eigen-equation of stress singularity ofbi-materials with a V-notch was obtained. A new definition of stress intensity factor for a perpendicular interfacial V-notch of bi-material was put forward. The effects of shear modulus and Poisson＇s ratio of the matrix material and attaching material on eigen-values were analyzed. A generalized expression for calculating/（i of the perpendicular V-notch of bi-materials was obtained by means of stress extrapolation. Effects of notch depth, notch angle and Poisson＇s ratio of materials on the singular stress field near the tip of the V-notch were analyzed systematically with numerical simulations. As an example, a finite plate with double edge notches under uniaxial uniform tension was calculated by the method presented and the influence of the notch angle and Poisson＇s ratio on the stress singularity near the tip of notch was obtained.     

一种计算三维裂纹应力强度因子的新方法

构造了一种新的三维奇异单元,提出了一种有效计算三维裂纹应力强度因子新的数值方法。该方法的计算结果与理论解和Newman解结果一致;与Panson等方法相比所使用的自由度数大大减小。结果表明该方法是一种高效、稳定可靠的计算方法。     

冲击载荷下含表面裂纹圆柱壳体的动态断裂

动态载荷下含表面裂纹的有限尺寸构件的断裂问题在工程实践中有着重要意义,但由于此类问题非常复杂,目前还不能求得解析解。本文针对含轴向半椭圆盘状表面裂纹的圆柱壳体,应用有限元法研究了动态载荷下其断裂问题,计算了动态应力强度因子与静态应力强度因子的比值KdIyn(t)/KsIta。从计算结果可以得出,比值KdIyn(t)/KsIta与结构和裂纹的尺寸有关,而与冲击载荷的大小无关。本文所得结果在一定程度上揭示了圆柱壳体表面、裂纹面、物质惯性和弹性波的相互作用及其对动态断裂的影响。     

Three-dimensional elliptic crack under impact loading

The dynamic stress intensity factor of a three-dimensional elliptic crack under impact loading is determined with the finite element method. The computation results can take into account the influence of time and the ratio of the wave speeds on the stress intensity factor. The present method is suitable not only for three-dimensional dynamic crack, but also for three-dimensional dynamic contact. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. K19672007).     

A singular element for calculating the stress intensity factor

This paper proposes a new type of special element (sectorial singular element) for calculating the linear elastic stress intensity factor. The shape of element not only accords with the demands of finite element analysis, but also coincides with the theory of linear elastic fracture mechanics. The accuracy and economy of the result in this paper are satisfactory.     

求解混合型裂纹应力强度因子的围线积分法

本文用复变函数理论推导出裂纹的辅助场，并用Betti功互等定理给出求解混合型裂纹应力强度因子的远场围绕积分法．此方法与积分路径的选择无关，用有限元法计算出远离裂纹尖端的位移场和应力场，就可通过计算绕裂端的围线积分，精确地给出混合型裂纹的应力强度因子KⅠ和KⅡ的数值解．     

SEMI-ELLIPTIC SURFACE CRACK IN AN ELASTIC SOLID WITH FINITE SIZE UNDER IMPACT LOADING

In this paper a semi-elliptic surface crack problem in an elastic solid of finite size under impact loading is investigated. An analysis is performed by means of fracture dynamics and the finite element method, and a three-dimensional finite element program is developed to compute the dynamic stress intensity factor. The results reveal that the effects of the solid's boundary surface, crack surface, material inertia and stress wave interactions play significant roles in dynamic fracture.     

尖锐夹杂角端部局部应力场杂交有限元分析

本文首先利用作者曾提出的一维有限元特征分析方法计算所得到的尖锐夹杂角端部应力奇异指数和奇异应力场、位移场角分布函数,并依据Hellinger-Reissner原理,开发出了一个特殊的、能够反映夹杂角端部局部弹性现象的n结点多边形超级角端部单元,然后将该超级单元与标准的4结点杂交应力单元耦合在一起构建了一种分析异形夹杂角端部奇异弹性场的新型特殊杂交应力有限元方法.文中给出了两个应用算例,算例结果表明:本文方法不仅使用单元少、计算结果精度高,而且适用范围广,可拓展应用于分析复合材料微结构组织与力学行为关系.