一种曲折裂纹尖端单元位移场的构造方法

在扩展有限元的框架内,本文发展了一种构造裂尖单元位移场的方法。整个裂纹沿程两侧的非连续位移场只通过富集变换的阶梯函数表征,在裂尖单元,通过调整形函数使得非连续性严格地消失于裂纹尖端。在避免混合区单元引入不满足单位分解的附加位移项的同时,实现了裂纹尖端单元位移场部分非连续特性的表达。还对裂尖单元的形函数调整原则进行了分析,以平面四节点单元为例提出了两种调整方式。文中裂尖单元中含有曲折裂纹的算例说明了本文方法的有效性和适用性。     

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法.实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场.将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子.实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征.     

一种XFEM断裂分析的裂尖单元新型改进函数

提出了一种适用于裂尖改进单元的新型改进函数, 基于三角变换的方法, 保留裂纹尖端场的应力奇异性和裂纹上、下表面的位移不连续性, 将常规扩展有限元法裂尖改进单元的4 项改进函数缩减为2 项, 裂尖改进单元的结点由常规的8 个改进自由度减少为4 个. 采用2 个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面, 详细阐述了改进单元类型的判别方法, 给出一种改进单元的分区域积分方案. 最后, 若干断裂力学问题经典算例的数值计算结果表明:建议的裂尖改进函数具有较高的数值精度, 该方法是十分有效的.     

基于扩展有限元法的裂尖场精度研究

扩展有限元方法基于单元分解的基本思想,通过引入位移加强函数来表征裂纹的不连续性和裂尖的奇异性。在裂尖加强单元与常规单元之间有一层混合单元,当对裂尖特定区域进行加强时,混合单元个数相应增加,混合单元个数与计算精度存在一定联系。本文提出一种正方形裂尖加强区域的选择方式,可得到较单个加强和圆形加强精度更高、更稳定的计算结果。对于不同长度的裂纹,表征裂尖场奇异性所需的裂尖加强范围存在较大差异,以正方形裂尖加强方式进行计算,得到了不同裂纹长度下最优的加强尺寸。     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

压剪载荷作用下界面裂纹尖端场的研究

建立了弹性-幂律蠕变双材料界面裂纹准静态扩展的力学模型，求得了裂纹尖端应力、应变和位移场分离变量形式的解及其数值结果；讨论了材料性能参数对裂纹尖端场的影响；计算和分析了界面裂纹的摩擦效应，并且得出了给定条件下裂尖场的轮廓图形．     

蠕变硬化材料中Ⅱ型扩展裂纹尖端场特性研究

采用弹牯塑性力学模型,对蠕变硬化材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了渐近分析.假设人工粘性系数与等效塑性应变率的幂次成反比,通过量级匹配表明应力和应变均具有幂奇异性,奇异性指数由粘性系数中等效塑性应变率的幂指数唯一确定.通过数值计算讨论了Ⅱ型准静态扩展裂纹尖端场的分区构造以及裂纹尖端应力和应变场的特性随各材料参数的变化规律,结果表明裂尖场由材料的粘性和塑性共同主导.当硬化系数为零时裂尖场可退化为相应的HR场.     

应用云纹干涉法测量力电耦合作用下铁电陶瓷的破坏行为

本文采用云纹干涉系统对的电陶瓷在力电耦合载荷作用下裂纹尖端的力学行为进行全场实时非接触动态细观测量,采用三点弯实验获取裂纹尖端区域在力电耦合作用下与电场集中有关的电致伸缩位移场,应变场,通过分析实验取得的云纹图得到了裂尖区域的位移场,应变场,发现裂尖区域就变随着与裂尖距离的增加衰减的速率比没有电场作用下的理论计算结果要快。     

I型裂纹尖端约束应力区模型及其解析解

考虑了I型裂纹尖端损伤区域内三种不同的约束应力分布形式,即右三角分布形式(情况A)、均匀分布形式(情况B)、左三角分布形式(情况C),并采用复变函数方法求得了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解;在此基础上,通过数值计算得到了应力强度因子和裂纹张开位移随约束应力区长度、约束应力大小以及分布形式的变化规律。研究结果表明:随裂尖材料损伤程度的增加,裂尖损伤区内约束应力减小,应力强度因子和裂纹张开位移增大;约束应力的分布形式对应力强度因子和裂纹张开位移有显著影响;相对于其他区域,约束应力对裂纹尖端区域裂纹张开位移的影响较大。然而,对于裂尖损伤区域的形成与作用荷载、材料性质、构件几何尺寸之间的关系,还需要进行更为深入的研究。     

基于不连续场修正权的无网格断裂分析

论文采用不连续场修正权函数法来处理二维无网格断裂力学问题.相较于目前常用的无网格裂纹不连续性处理方案,采用修正权函数处理裂纹附近不连续场时只需要对原权函数进行修正,算法简便易实现.本文基于不连续场修正权函数的无单元Galerkin方法(EFGM),对在边界上施加Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹位移场的斜裂纹板和带直裂纹受剪矩形板进行了数值分析,并与可视性准则、衍射法和透射法等不连续准则对比了裂尖位移场、应力场和应力强度因子解的数值精度,并分析了不同的M积分域尺寸、节点及背景网格等计算参数对裂尖奇异场数值解精度和形函数计算时间的影响.     

Enriched kinematic fields of cracked structures

Far from the crack tip process zone where non-linear phenomena take place, the mechanical behavior of a cracked medium can be analyzed within the framework of elasticity. Apart from the classical singular stress field associated with the elastic behavior, the effect of a confined process zone is decomposed over a set of (super-singular) fields. Because these fields are indexed by the exponent of their decay with distance from the crack tip, the dominant effect of non-linear mechanisms is characterized by the amplitudes of the first super-singular fields (modes I and II). This approach provides a macroscopic characterization of crack tip non-linearities and describes accurately the displacement field. As an application, the cyclic loading of a cracked elasto-plastic medium is discussed.     

压电材料平面问题的尖端场和应力强度因子的求解

利用Lekhnitskii理论和Stroh理论的相互联系,把已知的基于Lekhnitskii理论平面应变结果转化为Stroh理论形式的结果,直接获得Stroh公式中A,B的显式表达式,此方法可扩展到平面应力情况,然后导出压电材料平面应变问题的尖端场Williams形式的展开式,采用半权函数法计算有限大压电体平面问题应力和电位移强度因子。对无穷大板含中心裂纹的情况下本文结果和已有结果进行了比较,表明本文方法得到的结果精度可靠。本文方法的最大优点是可以求解有限压电体的应力强度因子,并且需要的单元少,精度高,实用性好。     

SELF-SIMILAR CRACK EXPANSION METHOD FOR THE STRESS INTENSITY FACTOR ANALYSIS

The Self-Similar Crack Expansion (SSCE) method is proposed to evaluate stress intensi-ty factors at crack tips, whereby stress intensity factors of a crack can be determined by the crackopening displacement over the crack, not just by the local displacement around the crack tip. The crackexpansion rate is estimated by taking advantage of the crack self-similarity. Therefore, the accuracy ofthe calculation is improved. The singular integrals on crack tip elements are also analyzed and are pre-cisely evaluated in terms of a special integral analysis. Combination of these two techniques greatly in-creases the accuracy in estimating the stress distribution around the crack tip. A variety of two-dimen-sional cracks, such as subsurface cracks, edge cracks, and their interactions are calculated in terms ofthe self-similar expansion rate. Solutions are satisfied with errors less than 0.5% as compared with theanalytical solutions. Based on the calculations of the crack interactions, a theory for crack interactionsis proposed such that for a group of aligned cracks the summation of the square of SIFs at the right tipsof cracks is always equal to that at the left tips of cracks. This theory was proved by the mehtod ofSelf-Similar Crack Expansion in this paper.     

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.     

基于整体位移模式的平面裂纹结构数值模拟方法

对于平面裂纹问题,针对扩展有限元法和无网格伽辽金法的不足,从结构的整体位移模式出发,提出了一种新的数值模拟方法。在整个求解域内构造其试探函数,并引入裂纹修正项描述裂尖处的奇异性和裂纹面的强间断特性;同时,提出了一种新的强制边界条件施加方法,通过引入位移边界水平集函数,将位移边界条件包含在近似位移场的表达式中,有效地解决了位移边界条件问题,减小了刚度矩阵的阶数,非常方便地消除了刚度矩阵的奇异性,降低了线性方程组的求解难度。含裂纹矩形平板结构的数值算例验证了该方法的有效性。     

基于主应变场的混凝土全表面开裂特征实时测量与分析

测量裂纹的扩展过程对于揭示混凝土结构的破坏机理和评价其力学性能十分重要. 本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法, 首先基于多相机数字图像相关方法得到混凝土试件表面的高分辨变形场, 发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处, 且主应变场在裂纹法线方向近似高斯分布. 借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想, 提出了基于主应变场的裂纹定位方法, 并将裂纹两侧位于法线上的面内位移向量做差沿裂纹法线方向上的投影为Ⅰ型裂纹宽度, 沿裂纹切线方向上的投影为Ⅱ型裂纹宽度, 最终得到了裂纹每一点的位置和宽度. 利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验, 以验证Ⅰ型裂纹宽度的测量精度. 实验结果表明: 裂纹宽度的测量误差在0.010 ~ 0.017像素之间, 与理论预测相符; 测量误差的标准差在0.006 ~ 0.008像素之间, 测量结果比较稳定. 在同等分辨率下, 本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法. 本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展, 为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.      

模拟裂纹扩展的单位分解扩展无网格法

单位分解扩展无网格法(PUEM)是一种求解不连续问题的新型无网格方法.其基于单位分解思想,通过在传统无网格法的近似函数中加入扩展项来反映由裂纹所产生的不连续位移场.详细描述了水平集方法,PUEM不连续近似函数的构造及控制方程的离散.针对裂纹扩展问题,提出了一种十分简单的水平集更新算法;讨论了不同的节点数、高斯积分阶次以及围线积分区域对应力强度因子计算结果的影响,并给出了合理的参数;模拟了边裂纹和中心裂纹的扩展问题,并与XFEM的数值结果进行了比较.数值算例表明,本文方法具有较高的计算精度,是模拟裂纹扩展非常有效的方法,具有广阔的应用前景.     

The weight function for cracks in piezoelectrics

The weight function in fracture mechanics is the stress intensity factor at the tip of a crack in an elastic material due to a point load at an arbitrary location in the body containing the crack. For a piezoelectric material, this definition is extended to include the effect of point charges and the presence of an electric displacement intensity factor at the tip of the crack. Thus, the weight function permits the calculation of the crack tip intensity factors for an arbitrary distribution of applied loads and imposed electric charges. In this paper, the weight function for calculating the stress and electric displacement intensity factors for cracks in piezoelectric materials is formulated from Maxwell relationships among the energy release rate, the physical displacements and the electric potential as dependent variables and the applied loads and electric charges as independent variables. These Maxwell relationships arise as a result of an electric enthalpy for the body that can be formulated in terms of the applied loads and imposed electric charges. An electric enthalpy for a body containing an electrically impermeable crack can then be stated that accounts for the presence of loads and charges for a problem that has been solved previously plus the loads and charges associated with an unsolved problem for which the stress and electric displacement intensity factors are to be found. Differentiation of the electric enthalpy twice with respect to the applied loads (or imposed charges) and with respect to the crack length gives rise to Maxwell relationships for the derivative of the crack tip energy release rate with respect to the applied loads (or imposed charges) of the unsolved problem equal to the derivative of the physical displacements (or the electric potential) of the solved problem with respect to the crack length. The Irwin relationship for the crack tip energy release rate in terms of the crack tip intensity factors then allows the intensity factors for the unsolved problem to be formulated, thereby giving the desired weight function. The results are used to derive the weight function for an electrically impermeable Griffith crack in an infinite piezoelectric body, thereby giving the stress intensity factors and the electric displacement intensity factor due to a point load and a point charge anywhere in an infinite piezoelectric body. The use of the weight function to compute the electric displacement factor for an electrically permeable crack is then presented. Explicit results based on a previous analysis are given for a Griffith crack in an infinite body of PZT-5H poled orthogonally to the crack surfaces.     

与两相材料界面接触的裂纹对SH波的散射

利用积分变换方法得出了两相材料中作用简谐集中力时的格林函数．根据所得的格林函数并利用Betti-Rayleigh互易定理得出了与界面接触裂纹的散射波场．裂纹的散射波场可分解为两部分，一部分为奇异的散射场，另一部分为有界的散射场．利用分解后的散射场，可得裂纹在SH波作用下的超奇异积分方程．根据裂纹散射场的奇异部分和Cauchy型奇异积分的性质得出了裂纹和界面接触点处的奇性应力指数和接触点角形域内的奇性应力．利用所得的奇性应力定义了裂纹和界面接触点处的动应力强度因子．对所得超奇异积分方程的数值求解可得裂纹端点和接解点处的应力强度因子。