Ⅰ型裂纹试件裂端三维应力结构分析之一——裂端约束参数与断裂参数分析

本文利用大型通用结构有限元分析程序ADINA对16Mn材料制的两种不同厚度的Ⅰ型CT试样进行了计算与分析,结果表明,厚度方向的约束状态将试样分成两部分:具有相同约束状态的心部高约束区(Z₁)和约束显著变化的外边缘区(Z₂);有限元计算和实验测定结果证实了这两部分分别与试样断口上的纤维区及剪切唇相对应.所以,Ⅰ型裂纹试件裂端应力、应变场可分别通过这两个区域加以分析获得.本文对一些断裂参数如裂纹尖端张开位移(CTOD)和空穴扩张比(V_g)参数也进行了考察,结果表明这两个参数在厚度方向有相类似的变化规律,在一定程度上都可反映试样的厚度效应及外载荷水平效应.     

Ⅰ型试件裂端三维应力结构分析之二——应力结构分析

在文献[1]的基础上,本文分别对试件纤维区和剪切唇的应力结构进行考察.纤维区的应力结构特点为:可以进行变量z分离;对称面上的应力结构可由平面应变FEM解或HRR场解经应力三维度修正获得;载荷水平及试样厚度对应力结构的影响,可由厚度方向的CTOD得到反映,所得到应力表达式大为简便与直观.对剪切唇的应力结构进行考察,发现满足一定的精度可由插值法近似获得.本文提出了一种平面应变近似程度系数,并对此进行分析,该系数可较好地反映试样厚度、型式及载荷水平.本文也对断裂参量进行了分析,指出可对CTOD进行应力三维度修正获得.     

弹塑性状态下Ⅰ型裂纹前缘应力应变场的奇异性分析

本文从弹塑性力学的三维基本方程出发,分析了幂硬化材料Ⅰ型裂纹前缘应力、应变场的奇异性,发现,裂尖附近诸应力、应变分量的奇异性沿厚度不变;六个应力分量的奇异性不完全相同,六个应变分量的奇异性也不完全相同.     

准解理微裂纹裂尖纳观变形场的实验研究

利用纳米云纹法这一新技术测量了Si单晶中裂尖在纳观尺度下的变形场,观察到了著名的Peierls型位错的存在,并得到了准解理微裂纹裂尖的纳观应变场, 证实在裂尖前方10 nm之外,应变分布与线弹性断裂力学预测相吻合.裂尖的微观破坏过程可概括为：发射少量位错后裂纹发生解理破坏,并以阶梯方式向前扩展.     

Ⅲ型弹粘塑性/刚性界面裂纹的定常扩展裂尖场

考虑裂纹尖端的奇异性和粘性效应,建立了双材料界面扩展裂纹尖端的弹粘塑性控制方程．引入界面裂纹尖端的位移势函数和边界条件,对刚性-弹粘塑性界面Ⅲ型界面裂纹进行了数值分析,求得了界面裂纹尖端应力应变场,并讨论了界面裂纹尖端场随各影响参数的变化规律．计算结果表明,粘性效应是研究界面扩展裂纹尖端场时的一个主要因素,界面裂纹尖端为弹粘性场,其场受材料的粘性系数、Mach数和奇异性指数控制．     

应变梯度塑性Ⅰ,Ⅱ型平面应力裂纹的有限元解

将塑性应变梯度理论应用于幂硬化材料的裂纹尖端场,得出在小范围屈服条件下平面应力Ⅰ型和Ⅱ型裂纹的数值解.与现有的渐近解比较发现,Chen等人的文中裂尖附近渐近解的有效范围是0.05l量级(l为材料特征长度),远离此有效范围,有限元计算出Ⅰ型和Ⅱ型问题的应力场都趋向于经典的HRR解.在塑性区内,有限元计算只得到了应力占优的结果.     

功能梯度板中Griffith裂纹尖端应力场的三维解析研究

基于推广后的England-Spencer板理论,研究了横观各向同性功能梯度板中Griffith裂纹尖端的三维应力场.假定材料参数沿板厚方向可以任意连续变化,利用复变函数解法和保角变换技术分别给出了受无穷远处荷载作用和受均匀内压时裂纹尖端应力的三维解析解.当材料退化为各向同性均匀材料时,将该解答与经典二维解进行了比较,...     

裂纹面分布加载裂尖SIFs分析的广义参数Williams单元北大核心CSCD

带裂缝服役是工程结构的常态,由于流体侵入到裂缝内部,裂纹面直接受荷,使得裂缝进一步扩展,甚者影响结构的安全性.广义参数Williams单元(简记W单元)在分析断裂问题中,利用Williams级数建立裂尖奇异区的位移场,通过求解广义刚度方程可直接获得应力强度因子(stress intensity factors,SIFs),具有高精高效性;但W单元需满足奇异区内裂纹面自由的边界条件,故在分析裂纹面加载的问题中受限.该文基于SIFs互等,在等效奇异区范围中,将裂纹面的荷载等效为奇异区外围边界裂纹面上的集中力,避免奇异区内裂纹面受荷,故采用W单元即可简便计算.算例分析表明:等效奇异区尺寸取裂纹长度的1/20,等效荷载系数P建议取2.0,W单元计算精度均满足1%的误差限,证明该文在奇异区裂纹面受荷等效处理方法上具有合理性、通用性,克服了W单元在分析裂纹面加载问题的局限性.     

动载下缝端应力强度因子计算的扩展有限元法

在扩展有限元法(extended finite element methods, XFEM)的理论框架下,重点研究了动荷载作用下稳定裂纹尖端动态应力强度因子(dynamic stress intensity factors, DSIFs)的求解方法．根据XFEM的位移模式,推导了动力XFEM的支配方程,采用Newmark隐式算法进行时间积分同时,提出一种XFEM质量矩阵的集中策略,给出了求解DSIFs的相互作用积分方法,与静态问题的相互作用积分方法相比,增加了惯性项的贡献．最后,若干典型算例的计算结果表明:XFEM可以准确评价稳定裂纹尖端的DSIFs,建议的质量矩阵集中策略是有效的,为得到正确的DSIFs,惯性项的贡献不可忽略.     

混凝土断裂力学虚拟裂缝模型的半解析有限元法

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断裂力学中虚拟裂缝模型的平面裂纹解析元列式．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混凝土平面裂纹的虚拟裂缝模型计算问题．数值计算结果表明方法对该类问题的求解是十分有效的,并有较高的精度．     

半无穷大裂纹端部粘聚力分析

准脆性材料裂纹端部断裂过程区粘聚力是导致非线性断裂特性的重要原因,根据准脆性材料的断裂特性,对存在粘聚力分布的半无穷大裂纹力学分析模型,由变形叠加原理得到以该粘聚应力分布为未知函数的积分方程,通过对积分方程的分析推证,得到了该分布函数解的数学结构和级数型表达式;提出了由实际裂纹张开位移,确定裂纹端部粘聚力分布函数的两种方法:其一由连续的裂纹张开位移通过积分变换求解未知函数级数展开项的系数,其二是由离散的裂纹张开位移数据通过最小二乘法确定该函数;推导出了相应方法求解未知量的代数方程,并且给出了适当的算例和讨论。     

裂纹群应力强度因子分析的广义参数有限元法

利用广义参数有限元法直接求解了裂纹群裂尖应力强度因子.首先根据改进的Williams级数建立典型裂尖奇异区Williams单元,然后通过分块集成形成求解域整体刚度方程,进一步利用Williams级数的待定系数直接确定各裂尖应力强度因子,最后通过算例分析研究了裂纹间距、裂纹与X轴夹角等参数对计算结果的影响.结果表明,该文方法能够有效克服断裂分析的传统有限元法的缺陷,具有更高的计算精度和效率.而且对于含有多条等长共线水平裂纹的无限大板,当相邻裂纹间距与裂纹半长之比大于9时,可忽略裂纹之间的相互影响,按照单裂纹进行计算;对于沿Y轴对称分布的偶数条等长斜裂纹的无限大板,随着裂纹与X轴夹角的增大,KⅠ逐渐减小,KⅡ先增大后减小.     

三维守恒律有限元方法逼近光滑解的误差估计

我们对一个三维守恒律的显式有限元方法证明了H^1范数的二阶误差估计。     

基于比例边界有限元法和灰狼优化算法的裂纹尖端位置识别

基于比例边界有限元法(SBFEM)和灰狼优化(GWO)算法,提出了一种裂纹尖端识别方法。首先,借助SBFEM解决断裂力学问题特有的优势,快速准确地计算出反演所需的测点位移,并验证了正问题求解的正确性。其次,建立与裂纹尖端位置有关的目标函数,将求解裂纹尖端位置转换为求解目标函数最小值的优化问题。最后,采用GWO算法对目标函数进行了优化,进而搜索裂纹尖端的最佳位置。数值算例结果表明:利用SBFEM的高精度、半解析的优点,在反演过程中采用其求解正问题是非常有效的;GWO算法具有良好的全局收敛性,且相比经典的粒子群算法,能够更快速准确地搜索出裂纹尖端的位置;GWO算法具有较好的抗噪性。     

折线强化弹塑性应力分析的有限元法

本文对材料的应力应变曲线用三段直线的折线拟合,按照弹塑性的简单加载理论,对以增量理论得出的完整应力应变关系进行简化,导出按位移求解的有限元的增量方程.其中弹塑性刚度矩阵可以从弹性刚度矩阵补充后得出,从而节省计算时间.根据von Mises屈服准则确定各次荷载的增量,引入迭代法进行求解,省去对弹塑性刚度矩阵的重复地三角分解,进一步减少计算时间.本文对于应用高次单元、偏离简单加载的荷载、卸载计算、曲线拟合以及荷载的估算问题,均作了说明.     

裂纹尖端场弹塑性分析的加权残数法及塑性应力强度因子的计算

本文以幂强化材料,平面应变情形为例,系统地提出了裂纹尖端场弹塑性分析的加权残数法,并根据此法,得出了裂纹尖端场的解析式弹塑性近似解.在此基础上.对整个裂纹区域,构造了弹塑性解叠加非线性有限元计算塑性应力强度因子的方法,从而为裂纹尖端场和整个裂纹体的分析和计算,提供了一个方法.