ANALYSIS OF 3-D NOTCHED/CRACKED STRUCTURES BY USING EXTENDED BOUNDARY ELEMENT METHOD 1)

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.     

利用边界单元法求平面问题应力强度因子K_I的应力-位移杂交法

本文提出用裂尖附近2点或3点的应力和位移计算应力强度因子K_I的杂交方法.这种方法充分利用了边界单元法的计算结果,考虑了裂尖应力场和位移场渐近展开式的高阶项,使用远离裂尖的点算出的K_I也有较好的精度,拟合线十分平坦.用算例的结果将杂交法与一般的位移法和应力法进行了比较,同时,对常量单元和线性单元也进行了比较.     

基于非协调元特征法的奇异性问题分析

提出了一个基于位移的、分析平面尖劈尖端奇性应力场和位移场问题的非协调FE特征分析法．该方法与过去原有求解裂纹尖端近似场的有限元特征分析方法导出公式的出发点不同，并且采用的单元形式为非协调元，尖劈尖端邻域内的位移场假定没有采用奇异变换技术，运用该方法处理了若干尖劈和接头的算例，所有的计算结果表明，该方法较原有方法使用的单元少而且精度高，具有应用广泛性。     

三维切口/裂纹结构的扩展边界元法分析

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.      

网格法的自动检测技术研究

详细地讨论网格法的自动检测原理及方法，探讨自动网格法应用于细观力学的可能性，并验证性地使用自动网格法测量裂纹尖端的位移场，给出测量精度。     

直接计算应力强度因子的扩展有限元法

系统地给出了直接计算应力强度因子的扩展有限元法。该方法以常规有限元法为基础,利用单位分解法思想,通过在近似位移表达式中增加能够反映裂纹面的不连续函数及反映裂尖局部特性的裂尖渐进位移场函数,间接体现裂纹面的存在,从而无需使裂纹面与有限元网格一致,无需在裂尖布置高密度网格,也不需要后处理就可以直接计算出应力强度因子,并且大大简化了前后处理工作。最后通过两个简单算例验证了该方法的精度,分析了影响计算结果的因素,并与采用J积分计算的应力强度因子作了对比,得出了两种方法计算精度相当的结论。     

各向异性介质中SH波引起的裂纹扩展

本文利用Green函数法,求解各向异性介质中半无限长裂纹在SH波作用下,以任意速度扩展的问题。首先,利用Laplace变换和Cagniard-de Hoop反演法求解各向异性介质中反平面问题的Green函数,并利用它建立了求解裂纹扩展问题的积分方程。因为方程为Abel型的,所以可得到在SH波作用下,半无限长裂纹扩展问题的解析解。还可求得裂纹端点附近的应力和裂纹表面上位移的表达式。并对裂纹端点附近的奇异性进行讨论。最后讨论了裂纹尖端附近任一点的能量关系。并应用Griffith的能量准则,对裂纹扩展规律进行了讨论。     

扩展边界元法分析切口和裂纹结构应力场的准确性

在线弹性理论中,切口/裂纹结构尖端区域存在奇异应力场,数值方法不易求解。本文建立的扩展边界元法(XBEM)对围绕尖端区域位移函数采用自尖端径向距离 的渐近级数展开式表达,其级数项的幅值系数作为基本未知量,而外部区域采用常规边界元法离散方程。两者方程联立求解可获得切口和裂纹结构完整的位移和应力场。扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般的切口和裂纹结构应力场分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的应力场。作者研制了扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明扩展边界元法求解切口和裂纹结构应力场的准确性和有效性。     

A new finite element method for strain gradient theories and applications to fracture analyses

A new compatible finite element method for strain gradient theories is presented. In the new finite element method, pure displacement derivatives are taken as the fundamental variables. The new numerical method is successfully used to analyze the simple strain gradient problems – the fundamental fracture problems. Through comparing the numerical solutions with the existed exact solutions, the effectiveness of the new finite element method is tested and confirmed. Additionally, an application of the Zienkiewicz–Taylor C1 finite element method to the strain gradient problem is discussed. By using the new finite element method, plane-strain mode I and mode II crack tip fields are calculated based on a constitutive law which is a simple generalization of the conventional J₂ deformation plasticity theory to include strain gradient effects. Three new constitutive parameters enter to characterize the scale over which strain gradient effects become important. During the analysis the general compressible version of Fleck–Hutchinson strain gradient plasticity is adopted. Crack tip solutions, the traction distributions along the plane ahead of the crack tip are calculated. The solutions display the considerable elevation of traction within the zone near the crack tip.     

The crack tip fields of orthotropic composite plate under bending

1MechhacalModelThefractUreproblemwhichisthesameasthatinpaper[I]isfurtherdiscussedinthispaper.TheanalysisoffractUrebehavioursnearcracktipforinfinitelinearelasticorthotropiccompositeplatewithacentralthroughcrackoflengthZaiscarriedout.ThegeometryandloadingcondihonsareshowninFig.1.Tosolvesuchaproblem,weneedtosolvethepanaldifferentialequationwiththefollowingboundaryconditions:wherewisdeflectionofcoddleplane;M.andM,arebendingmoment,Ma.istwistingmoment,andstiffnessmatrixFromthetheoryofplateL'],w…     

压电双材料界面钝裂纹附近螺型位错的屏蔽效应与发射条件

研究了压电双材料界面钝裂纹附近螺型位错的屏蔽效应与发射条件.应用保角变换技术,得到了复势函数与应力场的封闭形式解,讨论了位错方位、双材料电弹常数及裂纹钝化程度对位错屏蔽效应和发射条件的影响.结果表明,Burgers矢量为正的螺型位错可以降低界面钝裂纹尖端的应力强度因子(屏蔽效应),屏蔽效应随位错方位角及位错与裂纹尖端距...     

Experimental analysis for singularities in crack normal to bimaterial interface

Three kinds of the model of crack normal to the bimaterial interface are studied by an experimental method. The highly sensitive moire interferometry technique is employed to obtain the displacement fields near the crack tip. The singularities of the three kinds of model are determined and analyzed by the experimental method and compared and discussed.     

直接增强自然单元法计算应力强度因子

自然单元法是一种新兴的无网格数值计算方法,但应用于裂纹问题计算时,其近似函数并不能准确反映裂纹尖端渐进应力场的奇异性,为获得足够的计算精度,需要在缝尖附近增大结点的布置密度。针对裂纹问题提出一种增强的自然单元法,将缝尖渐近位移场函数嵌入到自然单元法近似函数中,给出了增强试函数的构造方法,推导了总体刚度矩阵和荷载列阵的相关列式。应力强度因子可以作为附加未知量直接算得,也可用J积分或相互作用能量积分方法进行计算,对增强区域的选择和影响进行了分析。算例结果表明,基于增强自然单元法采用围线积分方法计算应力强度因子具有很高的精度,但直接以附加结点自由度形式计算则精度有所降低。     

各向异性复合材料尖劈和接头的奇性应力指数研究

提出了一个新的、基于位移的、求解三维尖劈端部奇性应力指数问题的非协调元特征分析法。该方法假定尖劈端部邻域内的位移场没有采用奇异变换技术，导出虚功方程的出发点不同于过去原有求解裂纹尖端近似场的有限元特征分析法，在有限元离散时采用的单元形式为非协调元。文中运用该方法给出了若干求解各向异性复合材料尖劈／接头端部奇性应力指数的算例。所有的计算结果表明，本文方法能够求解复杂尖劈／接头的全部奇性应力指数，使用的单元少而且精度高。     

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。     

Effects of fractal crack

Experimental results indicate that propagation paths of cracks in geomaterials are often irregular, producing rough fracture surfaces which are fractal. In this paper, crack tip motion along a fractal crack trace is discussed. A fractal kinking model of the crack extension path is established to describe irregular crack growth. The length, velocity and kinking effects of the fractal crack are analysed. A formula is derived to describe the effects of fractal crack propagation on the dynamic stress intensity factor and on crack velocity. Finally, expressions of stress and displacement fields near the fractal crack tip are given.     

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element, RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.     

Experimental analysis of crack tip fields in rubber materials under large deformation

A three-nested-deformation model is proposed to describe crack-tip fields in rubber-like materials with large deformation.The model is inspired by the distribution of the measured in-plane and out-of-plane deformation.The inplane displacement of crack-tip fields under both Mode I and mixed-mode(Mode I-II) fracture conditions is measured by using the digital Moire’ method.The deformation characteristics and experimental sector division mode are investigated by comparing the measured displacement fields under different fracture modes.The out-of-plane displacement field near the crack tip is measured using the three-dimensional digital speckle correlation method.     

Peierls框架与裂纹尖端位错行为

本文在Ｐｅｉｅｒｌｓ框架下对裂纹尖端位错成核与发射问题进行了严格的数学分析，在修正Ｒｉｃｅ设相的基础上，建立了一组新的控制方程，应力场与位错密度场分别表示成第一类与第二类切比雪夫多项式的级数，相应的张开位移与滑错位移以用三角级数表示。通过离散的方法，控制方程转化为一组非线性代数方程。用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ方法求解这组方程，得到远场为纯剪，纯拉及两者复合情况下的解答。计算结果清楚地揭示了裂纹     

Investigation of the Dynamic Behavior of a Griffith Crack in a Piezoelectric Material Strip Subjected to the Harmonic Elastic Anti-plane Shear Waves by Use of the Non-local Theory

In this paper, the dynamic behavior of a Griffith crack in a piezoelectric material strip subjected to the harmonic anti-plane shear waves is investigated by use of the non-local theory for impermeable crack surface conditions. To overcome the mathematical difficulties, a one-dimensional non-local kernel is used instead of a two-dimensional one for the anti-plane dynamic problem to obtain the stress and the electric displacement near at the crack tip. By means of the Fourier transform, the problem can be solved with the help of two pairs of dual integral equations. These equations are solved using the Schmidt method. Contrary to the classical solution, it is found that no stress and electric displacement singularity is present near the crack tip. The non-local dynamic elastic solutions yield a finite hoop stress near the crack tip, thus allowing for a fracture criterion based on the maximum dynamic stress hypothesis. The finite hoop stress at the crack tip depends on the crack length, the thickness of the strip, the circular frequency of incident wave and the lattice parameter.