FRP加固金属裂纹板的断裂力学分析

传统的金属结构加固方法会形成新的疲劳源,而粘贴FRP加固则具有明显的优势．提出了“三维实体-弹簧-壳元”有限元模型,金属板采用三维实体单元, FRP采用壳单元,用弹簧单元来模拟FRP与金属板之间的胶层,对金属裂纹板粘贴FRP加固后的性能进行了线弹性断裂力学分析,并对影响金属板裂纹前缘应力强度因子的参数进行了讨论．分析结果表明,采用高弹性模量的FRP和增加FRP的厚度对改善加固效果非常明显．     

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.     

表面裂纹平板应力强度因子的杂交应力元-线弹簧模型方法

本文采用基于杂交应力元和线弹簧模型相结合的方法,计算表面裂纹平板的应力强度因子。结果表明,本文解和三维有限元解吻合很好,与基于位移元和线弹簧模型相结合的解相比,具有更高的精度和较宽的适用范围。     

动载下裂纹应力强度因子计算的改进型扩展有限元法

相较于常规扩展有限元法(extended finite element method, XFEM), 改进型扩展有限元法(improved XFEM) 解决了现有方法线性相关与总体刚度矩阵高度病态问题, 在数量级上提升了总体方程的求解效率, 克服了现有方法在动力学问题中的能量正确传递、动态应力强度因子数值震荡、精度低下问题. 本文基于改进型XFEM, 采用Newmark 隐式时间积分算法, 重点研究了动载荷作用下扩展裂纹尖端应力强度因子的求解方法, 与静力学方法相比, 增加了裂纹扩展速度项与惯性项的贡献. 通过数值算例研究了网格单元尺寸、质量矩阵、时间步长、裂尖加强区域、惯性项、扩展速度项及相互作用积分区域J-domain的网格与单元尺寸对动态应力强度因子求解精度的影响, 验证了改进型XFEM计算动态裂纹应力强度因子方法的有效性. 针对文献中具有挑战性的 "I 型半无限长裂纹先稳定后扩展"问题, 改进型XFEM给出目前为止精度最好的动态应力强度因子数值解.      

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。     

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。     

双材料自由边界面端部问题的数值分析

对各向异性双材料自由边界面端部奇异性场问题进行了研究,利用有限元分析法所得到的各向异性双材料自由边界面端部的应力奇异性指数以及角分布函数,构造了一个自由边界面端部单元,据此建立了自由边界面端部奇异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,提出一种求解自由边界面端部广义应力强度因子的杂交元法.考核例结果表明:本文方法的数值解精度高,可应用于各向异性材料双材料自由边界面端部问题.     

一种裂纹扩展的有限元仿真分析方法及其实现

为分析含多裂纹体在任意载荷下的断裂过程问题,给出了一种基于有限元的仿真方法及程序.基于商业有限元软件的应力分析结果和合适的断裂力学准则,判断裂纹的扩展以及扩展角;通过对每一个裂纹尖端扩展影响区域进行单元重划分,实现了多裂纹任意扩展的几何描述有限元模型更新.由于只对裂纹扩展区局部进行有限单元更新,网格划分和前期网格结果到新网格的映射的工作量相对较小,典型的裂纹扩展分析实例表明本文方法和程序的有效性.     

断裂力学的半解析相似边界元法

本文首先对弹性力学的相似边界元法进行了研究，推导了相应的计算公式。与传统的边界元法相比，相似边界元法由于只需在少数单元上进行数值积分，大大减少了计算量。在此基础上，对断裂力学问题，利用裂纹尖端位移场的解析表达式将裂纹尖端节点未知量转化为几个待定常数，提出了半解析相似边界元法，可大大减少最终形成的线性代数方程组的系数矩阵的阶数，进一步减小计算量。最后给出了算例，说明了本文方法的有效性。     

求解含钝裂纹体应力场的扩展单元方法

本文基于钝裂纹端部位移场的渐近解和等参元构造方法,开发了一种新的适合钝裂纹端部应力场计算的扩展单元法,为了消除不同单元间的位移不协调又在扩展单元的基础上提出过渡单元.和常规的等参元相比,扩展单元除了以节点位移为待求未知量外,它们额外增加了Ⅰ型和Ⅱ型广义应力强度因子作为未知量.根据这个理论我们编制了有限元的程序并计算了算例,算例表明,在网格较大的情况下,与常规等参元计算方案相比,扩展单元和过渡单元法更好地接近理论值,它具有计算精度高、减少缺陷附近的单元数量和计算时间等优点.     

孔洞对平面裂纹应力强度因子影响分析的广义参数Williams单元

本文采用圆形奇异区广义参数Williams单元（W单元）建立了中心裂纹与圆孔共存的平面应力模型,奇异区外围利用ABAQUS有限元软件自动网格离散技术与FORTRAN95编程前处理相结合,克服了自主编程中网格离散的局限性．算例分析了圆孔位置和几何参数对I-II混合型裂纹尖端应力强度因子(SIFs)的影响,并与扩展有限元法(XFEM)计算结果进行比较．结果表明：靠近圆孔一侧的裂尖SIFs大于远离圆孔一侧的裂尖SIFs;控制圆孔左边缘到裂纹中心的距离,则两侧裂尖SIFs随圆孔半径的增大而增大;圆孔中心与裂纹中心水平距离越远,圆孔对裂纹扩展的影响越小．同时,基于圆形奇异区的W单元直接计算得到的裂尖SIFs与扩展有限元法得到的解吻合较好,证明了W单元对奇异区离散形状不敏感,且具有高效率和高精度．     

广义扩展有限元法及其在裂纹扩展分析中的应用

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM)。阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实施中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序。通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程。算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度。     

Application of scaled boundary finite element method in static and dynamic fracture problems

The scaled boundary finite element method (SBFEM) is a recently developed numerical method combining advantages of both finite element methods (FEM) and boundary element methods (BEM) and with its own special features as well. One of the most prominent advantages is its capability of calculating stress intensity factors (SIFs) directly from the stress solutions whose singularities at crack tips are analytically represented. This advantage is taken in this study to model static and dynamic fracture problems. For static problems, a remeshing algorithm as simple as used in the BEM is developed while retaining the generality and flexibility of the FEM. Fully-automatic modelling of the mixed-mode crack propagation is then realised by combining the remeshing algorithm with a propagation criterion. For dynamic fracture problems, a newly developed series-increasing solution to the SBFEM governing equations in the frequency domain is applied to calculate dynamic SIFs. Three plane problems are modelled. The numerical results show that the SBFEM can accurately predict static and dynamic SIFs, cracking paths and load-displacement curves, using only a fraction of degrees of freedom generally needed by the traditional finite element methods.The project supported by the National Natural Science Foundation of China (50579081) and the Australian Research Council (DP0452681)The English text was polished by Keren Wang.