中厚扁壳断裂问题的特征根及特征函数

证明了含任意切口、任意切口边界的多材料中厚扁壳问题的特征根等于相应的平面切口问题和平板弯曲切口问题两部分的特征根组合.进而证明了中厚扁壳切口问题的特征根等于相应反平面切口问题和平面切口问题的组合.中厚扁壳切口问题的特征根及其对应的0级特征函数均可直接按相应的两类基本问题(反平面切口问题和平面切口问题)进行求解.     

压电材料V型切口端电弹场奇异性的实验研究

考虑了由电场和应力集中而引发的压电材料切口端的奇异性问题。通过云纹干涉法测量机电耦合载荷作用下三点弯试验中V形切口尖端的变形场,并利用该结果近似确定切口尖端的占主导地位的奇异性指数。结果表明:正电场使切口张开,切口端的奇异性指数随着切口角度的增大而下降。该结果与有限元法的计算结果定性相符,说明云纹干涉法能够用于判断切口端奇异性状况。     

含切口损伤复合材料层合板拉伸失效行为研究

对含有不同切口损伤的复合材料层合板试件进行了拉伸试验,采用电阻应变计同步测量切口损伤前缘区域随载荷的变化,测定含切口损伤层合板的剩余强度,并讨论了损伤长度和损伤角度对剩余强度的影响规律.建立含切口损伤复合材料层合板有限元模型,分析了含切口损伤复合材料层合板的拉伸失效行为,计算了含切口损伤复合材料层合板的剩余强度,确定了剩余强度与切口损伤状态的关系.计算结果与试验结果具有较好的一致性.     

压电切口张开角和深度对其尖端力电损伤场的影响

基于三维各向异性压电损伤本构理论,导出了广义平面应力问题的损伤本构方程,并据此分析了压电薄板板边V形切口尖端附近的力电损伤,研究了切口张开角和深度对切口尖端力电损伤的影响规律.结果发现:和张开角对切口尖端损伤的影响相比,深度的影响更为明显;在张开角对切口尖端力损伤的影响规律方面,压电材料与一般弹塑性材料存在明显差异,原因在于压电切口尖端力电载荷比会随着深度的改变发生很大变化;不同深度下张开角与切口尖端力、电损伤关系曲线随着张开角的增大由发散逐渐会聚,不同张开角下深度与切口尖端力、电损伤关系曲线随着切口加深由会聚逐渐发散,并且电损伤曲线表现得更为明显.     

边界元法计算切口多重应力奇性指数

提出采用边界元法直接计算V形切口的多重应力奇性指数。首先在切口尖端挖出一微小扇形域,在该域边界列常规边界积分方程,后将扇形域内的位移场和应力场表示成关于切口尖端距离ρ的渐近级数展开式,回代入切口边界积分方程,离散后得到关于切口奇性指数的代数特征方程,从而求解获得V形切口的应力奇性指数。该法避免了常规边界元法和有限元法在切口尖端附近布置细密单元的缺陷,并可同时求得多阶应力奇性指数。     

三维切口应力奇性指数计算

将三维切口根部的位移渐近展开式引入线弹性力学平衡方程,导得关于切口应力奇性指数的特征微分方程组.再采用插值矩阵法,一次性地计算出三维切口的各阶应力奇性指数,它们具有同阶精度,并可同时获取相应的特征角函数.算例显示该法是分析三维切口应力奇异指数的一个有效的路径.计算结果表明,三维切口的部分应力奇性指数收敛于平面应变切口应力奇性指数理论值,但若直接用平面应变理论预测三维切口应力奇性指数将导致部分奇性指数缺失.     

Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口脆断准则

基于最大周向应力和Seweryn-Novozhilov准则,用线弹性奇异应力场,给出Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口的脆性断裂准则;并把裂纹作为切口张角为零的V形切口,这样就把V形切口问题与裂纹问题的断裂准则统一起来.为了验证该准则,本文采用有机玻璃板材加工多种V形切口试件进行了拉伸实验;同时,应用该准则对文献[16]中复合载荷下双边切口试件进行了起裂方向和临界载荷预测,并与其实验结果相比较.结果表明,本文所给出的Ⅰ-Ⅱ复合型尖V形切口脆性断裂准则与实验是相吻合的,适合于实际工程应用。     

压电材料反平面切口奇性指数分析

为理解压电材料反平面切口尖端奇异状态,提出了一种切口奇性特征分析法.基于切口根部位移场幂级数渐近展开假设,从应力平衡方程和电荷守恒条件出发,导出了关于压电材料反平面切口奇性指数的特征微分方程组,并将切口的力电学边界条件以及界面协调条件表达为奇性指数和特征角函数的组合.从而,压电材料切口反平面奇性指数的计算被转化为相应边界条件下常微分方程组特征值的求解问题,采用插值矩阵法可以计算出各阶奇性指数和相应的特征角函数.该法既适合裂纹奇性分析,也可用于单、双材料切口的奇性计算,并避免了用迭代法求解超越方程的不足.因而具有适应性强的特点.计算发现,压电材料反平面切口存在两个奇性指数,切口的奇异性程度随着开角的增大而增强.     

复合材料切口应力奇性指数计算

提出一种计算广义平面应交状态下复合材料切口应力奇性指数的新方法.在切口尖端的位移幂级数渐近展开式被引入正交各向异性材料的物理方程后,将用位移表示的应力分量代入切口端部柱状邻域的线弹性理论控制方程,切口应力奇性指数的计算被转化为常微分方程组特征值的求解.采用插值矩阵法求解该常微分方程组,可一次性地获取切口尖端多阶应力奇性指数.本法适合平面和反平面应力场耦合或解耦的情形,并可退化计算裂纹或各向同性材料切口的应力奇性指数.算例表明,所提方法对分析复合材料切口应力奇性指数是一种准确有效的手段.     

反应烧结Si3N4陶瓷断裂韧性的实验研究

本文对反应烧结氦化硅 Si_3N_4陶瓷的断裂韧性进行实验研究,用三种不同试件进行了测试,这三种试件是:山形切口双悬臂粱试件,山形切口三点弯曲梁试件和直穿透切口三点弯曲梁试件.用有限元方法分析了直穿透切口三点弯曲梁切口宽度对应力强度因子的影响,结合断裂载荷测定值估算了材料的断裂韧性值,指出直切口无预制裂纹试件的测定值必须用有限元法进行修正才能得到正确结果.     

Three-dimensional local stress analysis on grain boundaries in polycrystalline material

In order to understand the initiation behavior of microstructurally small cracks in a stress corrosion cracking condition, it is important to know the tensile normal stress acting on the grain boundary (normal GB stress). The local stress in a polycrystalline body is enhanced by the inhomogeneity which stems from the shape and orientation of each grain. The stress in a three-dimensional polycrystalline body consisting of 100 grains with random orientation, under a remote uniform tensile stress condition, is evaluated by the finite element method. It was revealed that the local stress on the polycrystalline body is inhomogeneous under uniform applied stress and becomes large at those grain boundaries that are perpendicular to the load axis, though there is large fluctuation. It was also shown that the normal GB stress tends to be large near the triple points due to the deformation constraint caused by adjacent grains. Finally, the maximum stress on the surface of a large component caused by the inhomogeneity was evaluated by using Gumbel statistics.     

新的一个求解带孔薄板弹性问题的二维杂交应力单元

建立了一个新的求解带圆孔薄板弹性问题的二维杂交应力单元,该单元为四节点四边形平面单元,名为P-HS4-8β。由极坐标系下的物理方程和几何方程求解出了一个极坐标方向的应力,通过将这个应力带入由Hellinger-Reissner原理推导的极坐标系下平面应力问题的能量方程中,得到了消除了该应力的能量方程,基于这个能量方程建立了杂交应力单元列式。根据圆孔边无外力条件和相容方程,推导了适用于求解带圆孔薄板问题的极坐标系下的二应力插值矩阵,并将此矩阵应用于新的有限单元列式中。数值算例表明新单元在求解孔边附近的应力时具有较高的精度。     

生物瓣膜应力的数值模拟

应用有限元方法分析了瓣架的材料特性、瓣叶的材料特性和瓣叶的钙化等因素对瓣叶的应力分布的影响。分析结果表明：采用全弹性材料的瓣架将改善瓣叶的应力分布，最大应力区域将远离接缝部位；将生物瓣瓣叶材料简化为拟线弹性材料时，对瓣叶最大主应力等值线的分布影响不大，计算结果在一定范围内存在差异；当瓣叶出现钙化时，钙化点及其周围产生应力集中，促进钙化的进一步加剧。     

螺旋压缩弹簧应力松弛特性试验分析及其应用

本文通过应力松弛试验、理论推导及数值模拟研究了高温下螺旋压缩弹簧的应力松弛规律,并利用加速模型对工况下弹簧应力松弛服役寿命做出预测.首先,根据螺旋压缩弹簧的结构特点搭建了弹簧应力松弛连续动态测试装置,该装置不仅避免了传统测试方法存在的缺陷,而且能够保证试验过程中位移载荷恒定,并实时监测载荷变化.本文以某飞机舱门单锁机构...     

考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化. 为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型. 首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响. 结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.      

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激光直接成形中,几何参数、材料属性和工艺参数等众多参量均会对残余应力造成影响,需 要进行系统分析. 采用量纲分析的方法,分别提取表征几何、传热和变形的3类关键无 量纲参数,并结合三维瞬态有限元分析模型来研究这些无量纲参数对热致残余应力的影响规 律. 研究表明,选用热膨胀系数、屈服应力较小的材料,残余应力会较小;工艺控制中,可 通过降低热散失、增大激光功率和提升预热温度来减小残余应力,其中预热的效果最好.     

高地应力岩体多孔爆破破岩机制

深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设,建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型,采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法,研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程,分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明：爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致,地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间,因而对爆炸致裂起抑制作用;静水地应力条件下多孔爆破时,垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制;对于高地应力岩体爆破,炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小,裂纹主要沿最大主应力方向扩展,因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通,形成良好的爆破开挖面。

     

三向应力Mohr圆的真实构成及剪应力作用方向的确定

三向应力Mohr圆的构成在传统上是借助公式推证而得，并以平面图形来表示，缺乏三维的真实感和直观性。在应力应变分析中，对于平面应力问题，可以通过平面应力摩尔圆确定过一点不同斜面上的应力分量及其作用方向。对于三维问题，利用摩尔圆图解法可以确定某一斜面上的正应力和剪应力的数值，但不能表示剪应力的作用方向。剪应力的作用方向需要通过另外的图解方法来确定。本文分别从坐标系旋转和数值计算的角度解释了三向应力Mohr圆的构成过程，形象地说明了Mohr圆的物理本质。针对三向应力Mohr圆不能表示剪应力作用方向的问题，通过矢量运算，给出了剪应力作用方向的确定公式。     

Determination of stress intensity factor with direct stress approach using finite element analysis

In this article,a direct stress approach based on finite element analysis to determine the stress intensity fac-tor is improved.Firstly,by comparing the rigorous solution against the asymptotic solution for a problem of an infinite plate embedded a central crack,we found that the stresses in a restrictive interval near the crack tip given by the rigorous solution can be used to determine the stress intensity fac-tor,which is nearly equal to the stress intensity factor given by the asymptotic solution.Secondly,the crack problem is solved numerically by the finite element method.Depending on the modeling capability of the software,we designed an adaptive mesh model to simulate the stress singularity.Thus, the stress result in an appropriate interval near the crack tip is fairly approximated to the rigorous solution of the corre-sponding crack problem.Therefore,the stress intensity factor may be calculated from the stress distribution in the appro-priate interval,with a high accuracy.