基于FE/EFG耦合算法的虚拟裂纹闭合法

在裂纹附近区域采用无网格伽辽金（EFG）节点,其余区域采用常规有限单元（FE）节点进行数值离散并求解,获得含裂纹构件的位移场。在裂纹尖端及其附近设置局部辅助有限单元区域,用于求解裂纹尖端处的2个特征参数：裂纹尖端节点力以及靠近裂纹尖端处裂纹面的位移。由这2个参数得到裂纹尖端处的应变能释放率,进而求得相应的应力强度因子,此方法为计算应力强度因子的EFG虚拟裂纹闭合法。数值算例表明,采用EFG虚拟裂纹闭合法能够有效计算裂纹尖端处的应力强度因子。     

裂纹尖端应力强度因子的有限元计算方法分析

通过在裂纹前缘附近采用退化的奇异单元,远离裂纹部分则采用常规单元的方式,建立了带穿透性裂纹板的有限元模型。分析了1/4节点位移法、位移外推法、虚拟裂纹闭合法3种方法计算裂纹尖端应力强度因子的特点。根据有限元后处理结果,分别采用以上3种方法计算了裂纹尖端的应力强度因子,结果显示3种方法计算结果一致性较好。研究了载荷、裂纹长度、构件几何参数对裂纹尖端应力强度因子的影响。3种方法的比较分析,对裂纹尖端应力强度因子的计算方法选择具有指导意义。     

求解应力强度因子的单元初始应力法

提出一种计算应力强度因子的单元初始应力法,该法采用退化的1/4节点奇异单元,通过近裂尖最佳应力点应力进行求解,进而求得应力强度因子.采用单元初始应力法对有限尺寸中心穿透裂纹板受远场均布拉力作用下的应力强度因子计算,数值分析得到的解与精确解相比,平面应变模型的相对误差为3.12%,三维模型的相对误差为3.26%.由该法计算的半椭圆表面裂纹板受远场均布拉力作用下的应力强度因子的数值解与手册解相比,最大相对误差为2.28%.单元初始应力法与位移法相比,具有精度高、简捷、高效的特点,可以较为方便且精确地计算三维裂纹尖端的应力强度因子,值得推广.     

位移法计算半椭圆表面裂纹应力强度因子影响因素分析

借助有限元分析软件ABAQUS建立含半椭圆表面裂纹有限厚度板有限元模型,根据计算得到的相关节点位移分别采用Chen-Kuang公式、Shih公式和1/4节点位移公式计算半椭圆表面裂纹应力强度因子,考察单元类型和裂尖附近区域网格参数变化对3种位移法计算应力强度因子精度的影响,根据计算结果给出各网格参数的合理范围。结果表明,3种位移法中Chen-Kuang公式计算结果波动最小;二次六面体全积分单元C3D20和二次六面体减缩积分单元C3D20R计算结果一致性良好,减缩积分单元计算结果受网格参数影响较小。文中的方法和结论可用于复杂工程结构中三维裂纹应力强度因子计算。     

改进的三维虚拟裂纹闭合方法

改进了一种基于有限元技术分析三维裂纹应力强度因子的计算方法——虚拟裂纹闭合方法,称为改进的虚拟裂纹闭合方法.应用传统的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,对有限元模型具有一定的要求,即过裂纹前缘的有限单元裂纹面必须具有相同的面积且对称.而应用文中改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,裂纹前缘的裂纹面可以是任意形状.文中应用改进虚拟裂纹闭合方法,建立20结点等参元有限元模型,对三维表面裂纹应力强度因子进行了验证性的分析和讨论.通过与Newman解相比较,证明该方法适用性强且计算精度高.     

基于小波有限元法的虚拟裂纹闭合法

为了弥补传统有限元在处理复杂结构断裂参数数值计算中的不足,将小波有限元应用到断裂力学数值计算中,提出了一种新的基于小波有限元的虚拟裂纹闭合法。该方法将哑节点断裂单元镶嵌到含裂纹结构的小波有限元模型中,利用虚拟裂纹闭合法计算能量释放率和应力强度因子。将计算结果与传统有限元和ANSYS模拟结果比较。结果表明:2个小波单元求解结果与传统有限元和ANSYS模拟结果基本吻合,与解析解相对误差不超过3%,表明该方法具有计算量小、方法简便和计算精度高的优点,为工程中复杂结构断裂参数数值计算提供了一种新方法。     

I型裂纹问题的相似形状单元聚缩解法

提出Ｉ型裂纹应力强度因子的相似单元聚缩解法，该方法首先在裂纹尖端附近自由划分相似单元，多层相似单元形成一个子结构；然后将子结构内的大量结点自由度聚缩掉，在聚缩过程中充分利用相似形状单元具有相同刚度矩阵的特点，最后通过结点位移计算一组广义坐标，利用广义坐标和应力强度因子间的关系获得应力强度因子。作为算例，本文求解了边裂纹和中心裂纹矩形板的拉伸问题。     

平板穿透裂纹尖端应力强度因子计算方法研究

针对应力强度因子的求解问题,提出了基于平板穿透裂纹的最大张口位移计算裂纹尖端应力强度因子的新方法.首先根据Westergaard应力函数推导出具有中心穿透裂纹的无限大平板模型受两向均匀拉伸载荷时,裂纹最大张口位移与裂纹尖端应力强度因子之间的数学关系,然后利用有限元模拟计算研究了该数学关系针对含穿透裂纹的有限尺寸平板模型...     

T型管节点表面裂纹应力强度因子的全三维有限元分析

利用完全的三维有限元分析方法对T型管节点轴载下的复合应力强度因子进行了计算。T型管节点有限元网络由自编的FEMAUTOP程序实现自动生成。考虑到裂纹尖端处的应力奇异性，在裂尖区域采有了三维四分之一分点20节点等参退化奇异单元，其它区域则采用高精度的20节点等参元。在利用线性结构有限元微机分析程度PCSAP5进行计算后，再使用后处理程度SIF对理解纹尖端处的应力强度因子进行了分析。     

冲击载荷下材料动态断裂参数的有限元计算

材料在冲击载荷下的行为不同于静态载荷作用下的行为。然而,由于动态断裂问题的复杂性,即使象三点弯曲试样,也还没有获得裂纹尖端动态应力强度因子的解析表达式。为了满足理论分析和实验工作的需要,采用LS-DYNA有限元软件,对三点弯曲试样在冲击载荷作用下(包括正弦、线性和不规则载荷历程)的动态过程进行了有限元分析,获得了裂纹尖端的动态应力应变场和裂纹尖端区域节点力和位移与时间的关系曲线。基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT),提出了在冲击载荷作用下裂纹结构能量释放率和动态应力强度因子的计算方法,得到了不同冲击载荷下三点弯曲试样的能量释放率GI和动态应力强度因子KId与时间的关系曲线。结果表明:该方法得到的有限元计算结果与实验吻合较好,且具有较高精度,文中提出的方法可用于动态断裂参数的计算。     

沥青路面多裂纹断裂分析

沥青路面通常在表面裂纹和基础裂纹共存状况下服务。基于断裂力学理论,采用无网格伽辽金/有限元耦合法,对同时含有面层表面裂纹和基层底面裂纹的沥青路面进行了断裂分析,研究了行车荷载行驶过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。结果显示,在车轮荷载行驶通过基层底面裂纹上方的过程中,基层底面裂纹的复合型应力强度因子K＊存在一个最大极值,且这个最大值不是出现在车轮荷载位于基层正上方的时候;表面裂纹的应力强度因子K1和K2随着交通荷载驶近表面裂纹而逐渐增大,而且增大的速率也逐渐上升;相对于基层底面裂纹,表面裂纹受荷载位置影响更显著。     

基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法

为提高含裂纹压电材料断裂参数的求解效率和精度,基于扩展无网格理论,引入无网格辅助网格结合哑节点断裂压电单元,提出了基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法。可很好地模拟裂纹尖端奇异性,简化求解过程,提高计算精度。并讨论了不同高斯点个数、不同裂纹长度对能量释放率计算结果的影响,与解析解和基于有限元法的机电虚拟裂纹闭合法计算结果进行了比较,数值算例结果表明本方法正确可行且具有较高的精度。     

Digital image correlation based high-speed crack tip locating method and its application

Based on a digital image correlation (DIC) method with the measurements of a high speed crack''s displacement and strain fields, a technique to accurately and automatically locate its crack tip has been developed. The crack tip is identified by finding the abrupt jump on the opening (or dislocation) curve of a point on the trace of the crack propagation, while the opening is measured through a virtual extensometer technique and the abrupt jump is identified by finding the peak on the curve. The method was verified using a specially designed experiment and applied to measure the critical crack tip opening angle of a rock sample. Because the involvement of analytical models has been avoided and then the good performance could be ensured for low resolution speckle images, this technique is expected to be very useful in the quantitative study of high speed cracks in experiments using high speed cameras.     

High-temperature fatigue crack propagation study of superalloy GH4169 by single-lens 3D digital image correlation

The characterization of fatigue crack propagation behavior is crucial for performance and reliability evaluation of aerospace materials. In this study, high-temperature (maximum: 650°C) fatigue crack propagation experiments of Ni-based superalloy GH4169 were conducted. The bi-prism-based single-lens 3D digital image correlation (BSL 3D DIC) technique was used to in-situ measure the displacement and strain fields near fatigue crack tip. Based on the deformation information, the mode I stress intensity factor range ΔK and the crack opening displacement (COD) were determined for characterizing the crack closure effect. As the major fatigue crack growth model, the parameters of modified Paris’ law were obtained based on the effective stress intensity factor range ΔKeff and the fatigue crack propagation rate (FCPR). Additionally, two kinds of J integrals, JP (path integral method) and JK (stress intensity factor K method), were used to evaluate the small-scale yielding approximation.     

有限元子模型法计算箱形结构表面裂纹应力强度因子

箱形结构中应力集中部位椭圆形表面裂纹区域的名义应力场分布不规则,无法使用现有的解析解和经验公式,有限元子模型法是求解此类问题的途径之一.文中分别计算了平板和箱形结构中包含椭圆形表面裂纹的三个应力强度因子,并将计算结果与N ewm an-R a ju公式以及疲劳试验结果进行了对比和分析.结果表明:有限元子模型法可以直接而且有效地计算此类结构中表面裂纹的应力强度因子.     

T型焊接接头疲劳裂纹应力强度因子的3D边界元计算

应用边界元（BEM）子域法,编写程序,计算3D混合模式表面裂纹的应力强度因子。按照T型焊接接头的实验模型建立边界元计算模型。计算结果表明,程序是可靠的。     

基于有限元法的表面疲劳裂纹扩展模拟

基于有限元法模拟了受远场拉伸和弯曲载荷有限厚度平板的表面疲劳裂纹扩展。裂纹体网格由等参奇异单元构成,裂纹体和非裂纹体之间采用多点约束连接不匹配的节点;采用1／4节点位移法计算应力强度因子,根据Paris公式计算裂纹扩展增量,三次样条插值函数描述裂纹前沿;自编软件实时跟踪裂纹扩展。计算得到的应力强度因子与Newman和Raju的经验公式结果比较,符合良好。