42CrMo钢CT试件应力强度因子的计算方法研究

以风电变桨轴承用42CrMo钢为研究对象，利用Abaqus并采用退化的奇异单元建立了初始裂纹三维有限元CT试件模型，同时进行了裂纹前缘的应力强度因子数值计算。在远离裂纹前缘部分采用六面体网格划分。采用围线积分的方法提取裂纹前缘应力强度因子分布情况，并将数值计算结果与理论计算结果进行对比分析，得到了裂纹前缘应力强度因子分布规律以及在不同载荷和裂纹长度的条件下裂纹前缘应力强度因子的变化规律。     

在压缩载荷作用下Y型分支裂纹的实验与数值研究

裂纹的存在极大地影响了材料的力学性能。通过光弹实验和数值分析方法,计算和分析了Y型分支裂纹在压缩载荷作用下裂纹尖端的应力强度因子。实验和数值计算结果表明:分支裂纹周围的等差线条纹基本上对称;分支裂纹与主裂纹的倾角从0°～90°不断变化对主裂纹尖端的应力强度因子影响很小,但使分支裂纹的应力强度因子KI不断减小,而KⅡ则先逐渐增大然后逐渐减小,在45°～60°之间取得极值;同时分析了侧压力对分支裂纹的影响,计算表明,侧压力的逐渐增大使分支裂纹的应力强度因子KI不断增大,而KⅡ则不断减小直到为零。     

广义■积分的数值分析

1968年,Rice,J.R.提出的J积分是计算工程构件的应力强度因子K_1的一种有用工具;但是,J积分的使用受到如下条件的限制:1. 不存在体力;2. 不存在非均匀温度场产生的热负荷。然而,工程构件常常承受了这些复杂载荷。因此,近年来,一些作者突破了这些限制,提出了广义 J 积分,并从能量的观点证明了广义 J 积分的守恒性。但是,这些文献的广义 J 积分值都是解析解,对形状复杂和具有不规则温度场的工程零件则无法求解。为了解决如航空发动机和发电设备等高温旋转零件的剩余寿命计算和分析其结构的安全性,本文作者使用有限元素法分别在外载、温度场、体力及三者联合作用下进行了研究,并取得对工程有重要意义的结果。研究表明:上述数值计算的广义 J 积分值都是守恒的,由此得到的应力强度因子 K_1值与解析解相比误差都很小,因此这种数值计算法是可以信赖的。本文作者已研制了这方面的计算机软件。因计算程序功能的通用性,软件可直接使用于复杂载荷下的这一类带二维裂纹工程构件。其输出功能包括构件的应力、应变场,广义 J 积分及应力强度因子 K_1的数值解,并可预测裂纹扩展的方向。和试验研究相配合,软件将解决航空发动机涡轮盘上榫齿裂纹的应力强度因子计算,以此求解剩余寿命,达到定寿、延寿的目的。程序也可应用于其它复杂载荷或单独外载下带裂纹构件的计算,它是求解这些工程构件的剩余寿命和分析安全性的实用工具。     

简化扩展有限元法精度的验证及在DCT试验中的应用

在扩展有限元方法(XFEM)和相互作用积分的基础上,建立了不含裂尖增强函数的简化XFEM法.并通过该方法计算了经典算例的应力强度因子,与传统的J积分方法和应力强度因子手册中的解析解进行了对比分析.结果表明,简化XFEM法与传统的J积分法相比,其精度更高且不需划分过密的网格.之后,采用简化XFEM法对沥青混合料圆盘拉伸试验(DCT)进行了数值模拟分析,通过与室内试验对比发现,简化XFEM法模拟的裂纹扩展路径和试验结果接近,并有助于分析试验过程中的断裂机理.该简化XFEM法能为非均质材料等更复杂问题断裂模拟提供新的解决思路.     

弹性介质中SH波传播的三角形格子法

目的提出一种不规则边界非均匀弹性介质中反平面剪切(SH)波传播数值模拟方法,研究反平面剪切波入射时地表起伏及软弱层对场地的影响.方法将实际介质计算区域剖分成三角形网格,构造出控制体,给出积分形式的控制体运动方程;交替运用控制体运动方程和SH波的本构方程,在时间域上递推计算给出被研究区域内各节点的加速度、速度、位移和各格子的应力.结果给出了弹性介质中SH波传播数值模拟三角形格子法.数值算例结果与解析解比较,验证了方法的计算精度和有效性.瞬态反平面剪切波入射时,地表起伏、软弱层会引起场地的运动状态量和应力量的放大,有运动状态量和最大剪应力集中现象.结论SH波传播数值模拟三角形格子法计算精度较高,处理不规则边界非均匀介质波动问题的适应性强,算法实现简单、计算量小.是研究大规模、不规则边界非均匀介质中SH波传播问题的一种有力工具,为岩土动力学中的波动研究提供了一种新的数值方法.     

梯度非均匀有限板中裂纹动态响应的有限元分析

为了研究梯度非均匀有限板中裂纹动态响应问题,用波动有限元的方法研究了梯度非均匀板中裂纹在冲击载荷作用下的动态响应.通过对裂缝宽度与到裂端距离插值的方法求裂尖端处的动态应力强度因子(DSIFs),对指数衰减脉冲作用下弹性模量按单向线性变化的梯度非均匀有限裂纹板进行了数值计算.结果显示:无论板材料梯度参数及裂纹长度如何变化,裂尖处动态应力强度因子时程均呈起始快速上升转而缓慢下降;无论在什么时刻,裂尖处动态应力强度因子随裂纹的长度减小而减小,随板材料的功能梯度参数增大而减小.     

边界元法在断裂力学数值计算中的应用研究

给出一个适用于平面断裂力学分析的新边界积分方程,在此方程的基础上建立了边界元数值计算方法.对Griffith裂纹问题进行了编程计算,用裂尖位错密度与应力强度因子的关系计算出了该问题的应力强度因子.     

功能梯度板条Ⅲ型裂纹问题研究

现存文献关于梯度材料断裂问题的研究大都是假设材料性质为坐标的指数函数或幂函数,而对其它函数形式较少采用.作者假设功能梯度材料剪切模量的倒数为坐标的线性函数,而泊松比为常量,研究功能梯度板条的反平面裂纹问题.利用Fourier积分变换技术和传递矩阵法将混合边值问题化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程获得板条裂纹在反平面载荷作用下的应力强度因子,并讨论了裂纹相对尺寸以及材料非均匀性对应力强度因子的影响.     

基于基本解的杂交有限元法计算应力强度因子

含有裂纹的工程结构的应力奇异性表征通常需要借助应力强度因子.结合位移外推法,采用基于单元边界积分的杂交有限元法给出了平面I型(张开型)裂纹的应力强度因子的计算方法.解析满足控制方程基本解的线性组合被用来近似表达单元内部的位移场和应力场,而普通的形函数插值则被用于近似表达单元边界位移场.二者通过杂交泛函联系起来,并且泛函中所有单元域积分被完全转化为单元边界积分.两个典型断裂问题的计算结果显示该方法具有精度高的优点,可以方便地用于断裂问题的应力强度因子计算.     

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。     

扩展裂纹的动态COD

利用文献「１」给出的扩展裂纹与路径地匀的Ｊ积分,该积分适用于以任意可变速率扩展的裂纹动力学问题,并推导了Ｊ积分与动态ＣＯＤ及动应力强度因子Ｋ（ｔ）之间的关系,利用Ｊ积分有可能建立适用于裂纹扩展全过程,起裂、失稳扩展及止裂阶段的断裂准则。     

快开盲板环形裂纹的应力强度因子计算

在有限元ANSYS软件中,建立了结构简化模型,将结构简化成轴对称模型,变换结构尺寸。通过一系列的命令流计算应力奇异点周围的应力强度因子,然后分析应力强度因子与各结构尺寸的参数之间的关系,并与J积分计算所得数值进行比较,结果表明,应用J积分计算KⅠ具有可行性。     

Dynamic conducting crack propagation in piezoelectric materials:Mode-II problem

This paper studies the dynamic conducting crack propagation in piezoelectric solids under suddenly in-plane shear loading. Based on the integral transform methods and the Wiener-Hopf technique, the resulting mixed boundary value problem is solved. The analytical solutions of the dynamic stress intensity factor and dynamic electric displacement intensity factor for the Mode II case are derived. Furthermore, the numerical results are presented to illustrate the characteristics of the dynamic crack propagation. It is shown that the universal functions for the dynamic stress and electric displacement intensity factors vanish if the crack propagation speed equals the generalized Rayleigh speed. The results indicate that the defined electro-mechanical coupling coefficient is of great importance to the universal functions and stress intensity factor history.     

一类复合缺陷对SH波散射及动应力强度因子

运用Ｇｒｅｅｎ函数法研究圆形弹性夹杂及其侧边径向裂纹,一种新复合型缺陷对ＳＨ波散射问题,求解侧边裂纹的散射和裂纹尖端场动应力强度因子。首先,给出在表面处含有半圆形弹性夹杂的弹性半空间的水平表面上任意一点,承受时间谐和的出平面线源荷载作用时的位移函数。其次,取该位移函数作Ｇｒｅｅｎ函数,推导出该问题的定解积分方程。最后,分析介质参数对面圆形弹性夹杂的动应力强度因子的影响。     

关于管道环向穿透裂纹的应力强度因子

由守恒积分给出的裂纹尖端近场以应力强度因子表示的积分值,并利用Ｊｋ积分概念及管道膜应力的初等分析,提出了计算裂纹管应力强度因子的一个方法。给出了适用于各种载荷的Ⅰ型管道环向穿透裂纹的应力强度因子表达式,以及拉伸环向周期裂纹管应力强度因子的计算公式,从而建立了一个简单而有效的求解方法。     

Elastodynamic stress intensity factor due to three-dimensional concentrated transient loading on the faces of a crack

The dynamic stress intensity factor for a semi-infinite crack in an otherwise unbounded elastic body is analyzed The crack is subjected to a pair of suddenly applied point loads on its faces at a distance l away from the crack tip The solution of the problem is obtained by superposition of the solutions of two simpler problems. The first of these problems is Lamb' s problem, while the second problem considers a half space with its surface subjected to the negative of the normal displacement induced by Lamb's problem in the range x>0. The latter is solved by means of integral transforms together with the application of Weiner-Hopf technique and Cagniard-de Hoop method. An exact expression is derived for the mode I stress intensity factor as a function of time for any point along the crack edge. Some features of the solution are discussed.     

30Cr1Mo1V转子钢应力强度因子有限元分析

通过采用20节点solid186退化奇异单元,利用ANSYS软件,对三维断裂参量进行计算和分析,结果表明位移法和J积分法确定应力强度因子是可行的;对一定尺寸的紧凑拉伸试样三维裂纹进行分析,得出30Cr1Mo1V转子钢裂纹尖端KI随裂纹长度和载荷水平改变时的变化规律,为研究汽轮机转子裂纹扩展规律提供了合理、有效的方法.     

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。     

数值方法计算应力强度因子的稳定性问题研究

准确而稳定地计算动态应力强度因子是断裂问题研究中的难点之一。尽管精确性备受重视,但稳定性问题常被忽略。利用一个新建议的辅助函数,根据能量释放率原理,计算了不同断裂模式的应力强度因子,并针对裂纹拟静态扩展时穿越各个单元、虚拟扩展区位置变化、网格划分的微小差异所导致裂尖相对单元位置变化,验证了应力强度因子计算的可靠性和稳定性,结果令人满意。     

无限长条功能梯度材料的反平面裂纹问题

研究了无限长条正交各向异性功能梯度材料在平面剪切作用下的Yoffe裂纹的动力学问题，材料的两上方向的剪切模量假定为指数模型，通过采用积分变换-积分方程方法，求得了裂纹尖端的动态应力场和动态应力强度因子，并研究了裂纹运动速度、几何尺寸、梯度参数和不均匀系数对动态应力强度因子的影响，结果表明，裂纹尖端应力具有的奇异性，裂纹的运动速度越大，应力强度因子越大；材料的模量梯度越大，应力强度因子越低；不均匀系数越大，应力强度因子越小。