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.      

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。     

动载下裂纹应力强度因子计算的数值流形元法

相较于传统有限元,数值流形方法（numerical manifold method, NMM） 的一个显著优点是在处理裂纹问题时网格无需与裂纹重合,这就方便了岩体破坏过程的模拟. 基于包含裂尖增强函数的NMM,采用Newmark 隐式动力学算法进行时间积分,重点研究了动力载荷条件下裂纹动态应力强度因子（dynamic stress intensity factor,DSIF） 的求解方法. 针对典型的线弹性动力裂纹问题,给出了NMM 的数值算例. 结果表明NMM 能够准确计算动载荷条件下裂纹的DSIF,并且具有较好的收敛性.      

基于互补理论和扩展有限元法的摩擦接触裂纹应力强度因子计算

从虚功方程出发,结合扩展有限元离散技术与接触条件的非线性互补表述,建立了摩擦接触裂纹问题的扩展有限元非线性互补模型,将不等式接触条件转化为非线性互补类的非光滑方程组,并采用基于广义导数的非光滑阻尼牛顿法求解方程组,无需引入任何额外人工变量以及迭代求解。以含中心倾斜裂纹平板和边裂纹平板为例,运用相互作用积分法计算摩擦接触裂纹的应力强度因子,将其结果与理论解进行对比分析,该方法都能给出精确的计算结果;基于扩展有限元方法对单轴压缩作用下倾斜裂纹扩展过程进行了数值模拟,计算结果表明,受压裂纹数值结果与实验结果比较吻合,从而验证了本文方法的有效性与正确性。     

双拉试样裂纹扩展过程中的应力强度因子计算

论文将使用一种界面单元来解决二维裂纹的静态扩展问题.这种界面单元基于虚拟裂纹闭合法,利用商业有限元软件ABAQUS的用户自定义单元UEL功能,发展为界面断裂单元,计算应变能释放率(GⅠ和GⅡ).在裂纹尖端的两个节点间设置一个特殊刚度的弹簧,并引入哑节点计算裂纹尖端后面的张开位移和裂纹尖端前面的虚拟裂纹扩展量.采用这种单元计算应变能释放率时不需要使用奇异单元或折叠单元,不会出现收敛问题,也不需要复杂的后续处理.因此,采用这种断裂单元分析二维裂纹扩展问题是方便的、高效率的,而且也能得到可靠的精度.     

分区混合有限元法计算应力强度因子

本文应用分区混合能量原理,提出分区混合有限元法,用以计算应力强度因子,方法的特点是:在裂纹尖端附近采用应力型奇异单元,在外部采用位移型常规单元。由于针对问题的受力特点,合理地把应力型与位移型、奇异元与常规元、解析解与数值解加以结合,各自发挥所长,从而能以较疏的网格取得较高的精度。 本文不仅为计算应力强度因子提供了一种有特点的有效解法,而且为分区混合有限元法的广泛应用提供了最初的例证。     

残余应力下厚壁筒表面裂纹的应力强度因子计算

本文首先介绍了边界元法计算裂纹尖端应力强度因子的基本理论,接着利用边界元法计算了在残余应力下不同厚壁筒内表面椭圆裂纹的应力强度因子,研究了其大不随椭圆裂纹不同而变化的规律,为厚壁筒结构的设计,制造以及疲劳寿命分析提供了许多有价值的参考资料。     

三维裂纹体应力强度因子的计算

本文采用塌缩三棱柱形奇异单元的位移计算应力强度因子，给出了一个新的全三维外推公式，它是Ｃｈｅｎ和Ｋｕａｎｇ公式〔１３〕的全三维推广，特例证明，它的精度比Ｉｎ－ｇｒａｆｆｅａ和Ｍａｎｕ的公式〔８〕高一阶。数值计算表明，结果稳定和对单元尺寸改变不敏感     

爆炸载荷下裂纹扩展的动态复合型应力强度因子的研究

用多火花像机记录了爆炸驱动的尖劈作用下由平板自由边界启动的裂纹扩展及伴随裂纹扩展的等差条纹环的动态分布。根据动态等差条纹环的分布用动态光弹性和断裂力学理论分析了裂纹扩展的特征,计算了复合型裂纹的动态应力强度因子,改进了传统的数据处理方法,编制了计算动态应力强度因子的计算机程序。     

用杂交/混合奇异有限元法计算应力强度因子

本文由Hellinger-Reissner原理出发,以附加内部位移参数作为Lagrange乘子,把应力平衡条件作为约束条件引入到泛函中。同时,在裂纹尖端附近的单元中,假设应力由两部分组成:一部分不包含奇异性,另一部分包含有表示裂纹尖端正确奇异形状的专门应力项;在假设位移时,在常规位移的基础上再叠加与奇异应力项相对应的位移,从而推导出杂交/混合奇异有限元模型。该方法具有网格划分简单,节点数少,效率高的优点。     

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。     

应用交替法计算十字形裂纹的应力强度因子

本文对十字形裂纹采用交替法,使得裂纹表面有限单元上边界条件均得到满足,推出任意对称压力作用下递推关系式,并计算了几种载荷下应力强度因子的数值解,对结果中的特例与Sneddon和Sih的理论、数值解相比较,其误差分别小于0.02％和0.5％。     

运动载荷下的三维裂纹应力强度因子

本文分析了无界弹性体中含一半平面一裂纹， 在裂纹面上受运动的复型冲击集中载荷的三维应力强度因子历史。求得了Ⅱ、Ⅲ型复合强度因子精确解。求解方法基于积分变换法、Ｗｉｅｎｅｒ－Ｈｏｐｆ技术以及Ｃａｇｎｉａｒｄ－ｄｅ Ｈｏｏｐ变换。本文还给出了若干数值结果并对解的性质进行了一些讨论。     

均布载荷下含偏心裂纹椭圆盘的应力强度因子计算

本文用边界配置方法计算了不同情形下含偏心裂纹椭圆盘受均布载荷时的应力强度因子。在其特例——圆盘情形,用本文方法所得结果与Tweed等人用积分变换方法所得结果一致。本文结果也适用于含偏心裂纹椭圆轴的断裂分析。与其他方法相比。本文方法原理简明,计算量小,具有良好的计算精度和收敛性。同时,本文所采用的应力函数和计算过程可以推广到其他载荷下不同形状含偏心裂纹盘的断裂分析。     

集中载荷下含偏心裂纹椭圆盘的应力强度因子计算

本文采用边界配置方法计算了受集中载荷作用时椭圆盘中偏心裂纹两端的应力强度因子,其中包括椭圆两半轴不同比值。不同裂纹长度和不同偏心程度的情况,在其特例椭圆盘中心裂纹情形,本文结果与Isida一致;在圆盘偏心裂纹情形,本文给出比Rooke等人更好的结果。     

分区混合有限元法计算反平面复合材料切口应力强度因子

本文先推导反平面复合材料切口尖端位移多应力场,然后用分区混合有限元法计算切口应力强度因子。     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

关于中低应力强度因子范围疲劳裂纹扩展速率的研究

本文对 PCrNi_3MoVA(ESR)进行了常规性能、低周疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率的试验,并且基于疲劳裂纹尖端区域应力、应变分析,应用累积损伤理论,提出一个估算疲劳裂纹扩展速率的简便方法.