用裂纹单元分析双压电材料界面力电耦合奇异场

为了求解双压电材料在机械荷载和(或)外加电场的作用下,界面裂纹尖端的力电耦合奇异场,提出了一种全数值方法。该全数值方法的实施可以分为两个部分:首先,用一维有限元方法求解不同压电材料界面裂纹尖端力电耦合奇异场特征解;然后,采用杂交有限元列式构造一种所谓的裂纹单元,在该杂交有限元的列式中,假设应力场和电位移场是利用上述一维有限元方法计算得到的特征解推导出来的;利用该单元可以得到全部的力电耦合奇异场的解。通过对单一压电材料中心裂纹尖端力电耦合奇异场的计算,该方法的准确性和高效性得到了验证;进而用该方法研究了双压电材料界面力电耦合场奇异场。     

考虑流体渗透压力的管道焊缝内裂纹扩展流固磁耦合方法

为实现利用漏磁法检测在役管道焊缝内裂纹动态扩展问题,本研究提出一种考虑流体渗透压力的管道焊缝内裂纹扩展流固磁耦合方法。通过建立管道焊缝内裂纹扩展的流固磁多物理场模型,来构建流固磁多场耦合方程,并进行管道焊缝内裂纹扩展计算,从而实现管道焊缝内裂纹周围计算域网格重构与管道焊缝内裂纹扩展进程中的漏磁场分析。结果表明,流体渗透压力加速了内裂纹扩展进程。与不考虑流体渗透压力相比,考虑流体渗透压力的管道焊缝受到更严重的威胁。同时,考虑流体渗透压力施加的流固磁多场耦合方法更符合工程实际情况。考虑流体渗透压力的管道焊缝内裂纹扩展流固磁耦合方法能较准确地表征在役管道焊缝内裂纹的扩展程度,判断管道焊缝损伤的危险等级,解决流固磁多场耦合作用下管道焊缝内裂纹扩展表征与评价问题。     

双压电材料界面力电耦合场奇异性研究

针对不同压电材料中界面裂纹尖端的扇形区域推导出了包含基本方程、裂纹面D-P边界条件和不同压电材料交界面处的边界条件的弱形式。在该弱形式的基础上,利用特征方程展开方法(eigenfunction expansion technique),可以得到一个分析压电材料裂纹尖端处力电耦合场奇异性的特殊的一维有限元列式。该一维有限元列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后的总体方程为一个二次特征根方程。求解该特征根方程就可以得到压电材料裂纹尖端处力电耦合奇异场的特征解。通过数值算例表明该方法可以准确而高效地计算压电材料裂纹尖端处力电耦合奇异场的特征解,进而用该方法研究了双压电材料界面力电耦合场的奇异性。     

一维六方压电准晶中圆孔边周期裂纹分析

利用复变函数和保角变换的方法,结合柯西积分,针对一维六方压电准晶中圆孔边周期裂纹问题进行了分析研究,导出了电不可导通边界条件和电可导通边界条件下Ⅲ型裂纹问题的场强度因子和能量释放率。在缺失相位子场或电场时,所得结果和已有结果做对比分析,以此验证方法的有效性。通过数值算例讨论了裂纹数、几何参数、耦合参数、声子场应力、相位子场应力和电载荷对材料断裂特性的影响规律,以便在实践中得到更好的应用。本研究为压电准晶元件的优化设计和可靠性分析提供理论基础。     

考虑损伤的蠕变问题的变形场与损伤场

本文研究了考虑损伤的蠕变介质的变形场与损伤场的解。求得了下列三个问题的新解:(1)考虑损伤的指数律蠕变材料在小损伤条件下的变形场与损伤场;(2)幂律蠕变材料在大损伤条件下的裂纹尖端场;(3)全耦合蠕变损伤的圆柱扭转问题的变形场与损伤场,这三个新解均可用解析的形式表达。     

电磁热效应裂纹止裂中绕流屏蔽效应的数值模拟

本文采用数值模拟方法研究了电磁热效应多裂纹止裂中的绕流屏蔽问题，在数值模拟中应用了热-电耦合(焦耳热问题)的分析方法。计算结果表明：由于裂纹的存在导致电流热集中效应，使裂尖处金属熔化形成焊口，遏制了裂纹的扩展；在多裂纹导体中通入相同电流时，多裂纹间的绕流屏蔽效应并不十分明显，裂尖的温度和温度梯度主要取决于裂纹的长度；随着裂纹长度的变化，裂纹尖端的温度场和温度梯度场均有很大的变化，本文给出了它们的定量分析结果。     

偏心不耦合装药爆破裂纹扩展实验研究

为了研究偏心不耦合装药结构下爆炸裂纹扩展规律,以有机玻璃板为介质,采用不同装药不耦合系数(分别为1.00、1.29、1.57、1.71、1.86、2.00、2.28)的装药结构进行爆炸实验。实验表明:偏心不耦合装药时炸药爆炸在炮孔周围形成的微裂纹区半径是不均匀的;随着装药不耦合系数的增大,耦合侧和不耦合侧的微裂纹区半径差值是逐渐增大的。在不耦合系数为1.71时,耦合侧最长主裂纹长度、主裂纹总长度、主裂纹平均长度达到最大;同时耦合侧与不耦合侧最长主裂纹长度差值、主裂纹总长度差值及主裂纹平均长度差值也达到最大。该研究为改进和优化偏心不耦合装药结构、降低爆破对围岩损伤破坏具有一定的参考价值。     

裂纹碰摩耦合故障转子系统诊断分析

采用有限元方法分析了裂纹碰摩耦合故障转子系统的响应,研究裂纹碰摩耦合故障转子系统在动态特性方面和单一裂纹故障、单一碰摩故障的区别及耦合故障的诊断方法.由于当碰摩比较严重时,响应信号中碰摩特征比较明显,容易掩盖裂纹特征,使基于信号分析的诊断方法只能诊断出碰摩,难以诊断出裂纹故障,因此本文利用裂纹引起的等效弯矩现象,通过基于模型的诊断方法,区别碰摩裂纹耦合故障和碰摩故障,该方法不仅能诊断裂纹的有无,还能诊断裂纹的位置.最后通过试验验证了仿真结果.     

含裂纹平板的振动及裂纹扩展分析

针对含裂纹平板的振动与疲劳问题,研究含裂纹平板耦合动力学建模方法。首先在变形相似性原则下通过力学平衡原理推导出含裂纹项的平板振动方程,进而基于应力关系式形成裂纹项的表达式。在此基础上,利用Galerkin法将含裂纹板简化成单自由度振动系统,根据Berger经验方法产生方程的非线性项构建含裂纹板的非线性振动模型。最后通过算例探讨含裂纹板的动力学特性,协同Paris方程研究含裂纹平板动力学与裂纹扩展的耦合行为。研究结论表明,阻尼大小和激励力的变化对含裂纹板的振动特性及裂纹扩展规律具有显著影响。所提出的含裂纹平板耦合动力学建模方法,考虑了振动与裂纹扩展的耦合效应,为飞行器板结构抗振动疲劳设计提供理论依据。     

压电材料中反平面渗透裂纹的解

用复变函数的保角映射法,采用可渗透边界条件,研究了含裂纹的无限大压电材料在平面内电场和反平面荷载作用下的耦合场,得到了精确的解和场强度因子以及能量释放率。结果表明,电场强度在裂尖没有奇异性,应变、应力、电位移具有1/2阶的奇异性,能量释放率总是正的。     

裂纹深度及尖端曲率对尖角裂纹周围应力场的影响

对于尖角裂纹,裂纹深度和裂纹尖端曲率对于裂纹附近应力场的影响有可能要大于裂纹张开角度的影响。根据弹性断裂理论和复变函数理论建立了一个计算模型,利用保角映射方法解决了尖角裂纹的边界条件问题,得到了具有不同深度和尖端曲率的裂纹周围应力分布,并对此应力分布规律进行了分析。     

含尖角裂纹的有限宽板在弯矩作用下裂纹周围应力场研究

对于含裂纹的板,有时裂纹尺寸与板的宽度相比并不很小,必须按有限宽板来计算。针对含尖角裂纹的有限宽板,建立基于弹性断裂理论的计算模型。通过所求得的复变应力函数,给出裂纹周围应力场的解析计算公式。根据保角变换原理,得到不同裂纹形状所对应的映射函数。对两端受弯矩作用含尖角裂纹的有限宽板,在具有不同的裂纹张开角情况下,对裂纹周围应力分布进行较为详细的仿真分析。另外,对不同的板宽对裂纹周围应力场的影响进行分析,并对不同裂纹张开角的情况进行了计算、比较。     

均匀热流作用下含裂纹板I型温度应力强度因子的解析解

研究一种新的温度边值问题。含中心裂纹无限大板受远场均匀热流作用,热流密度方向与裂纹有一夹角。当裂纹面上维持一恒定温差时,采用复变函数理论,得出了温度场、温度应力场与位移场的解析解。利用位移单值条件,确定出温度应力强度因子的解析表达式。针对铝合金LY12材料进行了相应数值计算,分析了热流密度大小与方向对温度分布与温度应力强度因子的影响。研究表明:该文给定的温度边界条件下,只产生I型温度应力强度因子,不产生II型温度应力强度因子。温度应力场取决于热流密度沿裂纹方向的分量,垂直于裂纹方向的分量对温度应力场没有影响。     

集中载荷作用下的不同压电材料反平面应变状态的共圆弧界面裂纹问题

本文应用复变函数解析延展原理，得到了集中载荷作用下的不同压电材料反平面应变状态的共圆弧界面裂纹问题的一般解；对单个圆弧界面裂纹，给出了复函数封闭解和场强度因子。     

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF CLOSURE BEHAVIOUR OF FATIGUE CRACKS IN RESIDUAL STRESS FIELDS

An elastic-plastic finite element analysis with high order elements is performed to examine closure behaviour of fatigue. cracks in residua1 stress fieids and the numerical results are then compared with experimental results. The finite element analysis, performed under plane stress using 8-node isoparametric elements, can predict fatigue crack closure behaviour through residual stress fields very well. The crack opening and closing behaviour through a compressive residual stress field is found to be complicated and influenced by the applied load magnitude and the location of the crack tip. Three different types of crack opening behaviour, namely, normal, unsymmetric partial and symmetric partial crack opening behaviour are observed through a compressive residual stress field. The partial crack opening stress intensity factor including the partial crack opening effect is recommended for the prediction of fatigue crack growth through a compressive residual stress field.     

A phase field model of dynamic fracture: Robust field updates for the analysis of complex crack patterns

The numerical modeling of dynamic failure mechanisms in solids due to fracture based on sharp crack discontinuities suffers in situations with complex crack topologies and demands the formulation of additional branching criteria. This drawback can be overcome by a diffusive crack modeling, which is based on the introduction of a crack phase field. Following our recent works on quasi‐static modeling of phase‐field‐type brittle fracture, we propose in this paper a computational framework for diffusive fracture for dynamic problems that allows the simulation of complex evolving crack topologies. It is based on the introduction of a local history field that contains a maximum reference energy obtained in the deformation history, which may be considered as a measure of the maximum tensile strain in the history. This local variable drives the evolution of the crack phase field. Its introduction provides a very transparent representation of the balance equation that governs the diffusive crack topology. In particular, it allows for the construction of a very robust algorithmic treatment for elastodynamic problems of diffusive fracture. Here, we extend the recently proposed operator split scheme from quasi‐static to dynamic problems. In a typical time step, it successively updates the history field, the crack phase field, and finally the displacement field. We demonstrate the performance of the phase field formulation of fracture by means of representative numerical examples, which show the evolution of complex crack patterns under dynamic loading. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

PREDICTION OF FATIGUE LIFETIME OF NOTCHED MEMBERS

Abstract— A simple model for the estimation of the total fatigue life of notched members is presented. The number of cycles to failure is estimated as the summation of the cyclic life spent in: (1) the initiation of a dominant fatigue crack at the notch root; (2) the very early growth of this crack within the notch plastic zone; (3) the subsequent fatigue crack growth in the elastic stress-strain field of the notch; and (4) the elastic stress field of the bulk material. Theoretical and experimental results are compared.     

含界面裂纹圆形夹杂的十二次对称二维准晶热应力分析

针对点热源作用下,无限大十二次对称二维准晶基体和圆形弹性夹杂界面之间含多条裂纹的问题进行了研究。基于复变函数分区全纯理论、留数定理、广义 Liouville 定理、Riemann-Schwarz 解析延拓定理及复应力函数奇性主部分析方法,获得了集中热源作用于准晶基体内任意一点时,准晶基体和圆形弹性夹杂内外温度场、声子场热应力的一般复势解。由此获得了含一条界面裂纹和两条界面裂纹时温度场以及声子场热应力的封闭形式解答,将所得结果与已有结果进行了对比,验证了该方法的有效性。最后通过数值算例分析了夹杂半径、点热源强度及裂纹角度对热应力和裂纹尖端热应力强度因子的影响规律。结果表明：随着热源强度的增大,裂纹尖端的声子场热应力也逐渐增大;随着裂纹角度的增大,裂纹尖端的声子场热应力强度因子变大;随着半径的增大,热应力强度因子的变化趋势越来越明显,并且取得的峰值越高,即裂纹角度和夹杂半径的增加,促进了裂纹的扩展。这些结论为准晶材料的结构设计和使用提供了科学依据。     

An arc-shaped crack in an electrostrictive material

The plane problem of a circular-arc crack in an infinite electrostrictive solid under remote electric fields is studied based on the complex variable method. First, explicit solutions for the complex potentials are presented in closed-form. Secondly, intensity factors of total pseudo stresses are derived by taking the Maxwell stresses around the infinite surrounding space and inside the crack into account. Then, numerical results are given to discuss the effects of electric fields on the fracture of electrostrictive materials. It is found that when the interior of the crack is filled with the same gas as that at infinity, the applied electric field has no effects on crack growth; however, when the interior of crack and the surrounding space at infinity are filled with different gases, the applied electric field may either enhance or retard crack growth, which depends on the electric boundary conditions adopted on the crack faces, the Maxwell stresses on the crack faces and at infinity, and the central angle of the crack.