应用无网格伽辽金法模拟疲劳裂纹扩展问题

无网格伽辽金法(EFGM)是近年来兴起的无网格法的一种，与传统的有限元等数值计算方法相比，它只需要节点信息和计算域的几何边界．由于不需要网格重构，裂纹扩展只需要通过自由裂纹面的延伸来模拟，这大大简化了裂纹模拟的过程．本文综述了EFGM在疲劳裂纹扩展中的应用，对扩展基的使用、权函数的选择及裂纹扩展的模拟方法和动态应力强度因子的计算进行了论述。     

基于无单元伽辽金法的水工结构温度应力及温度裂纹扩展计算

水工混凝土结构的温度应力及裂纹扩展计算是一大难点。用节点来离散域的无单元伽辽金法由于不需要网格,特别适合模拟裂纹扩展问题。本文主要研究应用无单元法来计算温度应力以及温度裂纹扩展,提出了基于衍射法的折线不连续面模拟方法,并介绍了计算裂纹应力强度因子的围线积分法等,编制了温度裂纹及其扩展计算的VC++程序。通过典型气温骤降温度应力、单边直裂纹和斜裂纹实例对程序进行了验证,算例结果表明其具有较好的精度和可靠性。然后以底部约束混凝土块为例介绍了裂纹扩展的模拟过程及结果。最后对无单元法计算裂纹扩展的一些问题和难题进行了总结。     

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。     

扩展有限元法在重力坝断裂分析中的应用研究

扩展有限元法是近年来发展起来的分析不连续问题(特别是断裂问题)的一种有效方法。介绍了扩展有限元法的基本原理,给出了采用扩展有限元法进行裂纹扩展分析的方法,最后采用扩展有限元法模拟了混凝土重力坝坝踵裂缝扩展过程,分析了其变形、应力场分布规律。算例表明扩展有限元法在进行断裂分析时克服了常规有限元法的缺点,避免了常规有限元法在分析断裂问题时繁琐的前处理过程,不需要裂纹面与有限元网格一致,不需要在裂缝周围布置高密度网格,模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,展示了扩展有限元法在大坝开裂分析中的独特优势。     

用扩展有限元法分析沥青路面表面裂纹二维扩展

本文将一种新型的求解不连续力学问题数值算法——扩展有限元法(XFEM)引入了沥青路面表面裂纹二维扩展分析。扩展有限元法基于单位分解法的思想,它所使用的网格与内部结构的几何或者物理界面无关,因此可以克服例如裂纹尖端等高应力和变形集中区域进行高密度网格剖分所带来的困难。对于裂纹分析问题,裂纹能够完全独立于有限元网格存在,模拟裂纹扩展时完全不需要进行网格重构。本文先对扩展有限元法的基本原理、相应的改进函数以及线弹性断裂力学的相关理论进行了简单介绍。然后利用沥青路面二维平面应变模型,通过数值算例验证了该方法在沥青路面表面裂纹扩展模拟中的适用性和优势,为扩展有限元法在沥青路面裂纹分析中的进一步应用打下了基础。     

涂层中裂纹应力强度因子的计算及裂纹扩展

在涂层工作过程中,由于喷涂材料硬度高、抗裂性能差、喷涂工件刚性大工件表面产生应力集中,涂层很容易产生裂纹.对于含初始裂纹的喷涂材料,在拉伸载荷作用下裂纹的扩展与裂尖应力强度因子有很大的关系,根据断裂力学的基本原理,提出了利用数值模拟的方法来计算裂纹尖端的应力强度因子.并讨论了裂纹前沿网格划分对应力强度因子的影响,预测了裂纹扩展时形状的变化.     

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。     

基于扩展有限元的多裂纹扩展分析

研究基于扩展有限元的多裂纹扩展分析方法以及ABAQUS环境下的程序实现。在位移函数中增加扩充项以描述裂纹周围的不连续位移场。初始裂纹以点集或方程的形式给出,并使用水平集函数将多裂纹信息离散到单元节点上,水平集函数还用来追踪裂纹扩展路径。使用局部水平集更新方法减小了计算规模,改进了裂尖单元的判断准则,借助商业软件Tecplot软件实现了裂纹扩展的动态显示功能。使用交互积分法计算混合模式下的应力强度因子,用最大周向拉应力准则判断裂纹扩展方向。探讨了网格密度和积分域尺寸对方法的影响,数值算例表明扩展有限元方法能够模拟任意形状的裂纹,并且能够反映多裂纹扩展的规律。     

复合型裂纹的扩展路径模拟及疲劳寿命预测

针对二维裂纹稳态扩展,基于位移外推,通过最小二乘法拟合得到应力强度因子数值计算方法;利用最大周向应力准则判断裂纹扩展方向,并得到作为裂纹失稳扩展判据的等效应力强度因子;通过Paris准则得到疲劳寿命预测数值方法。基于ANSYS软件平台,根据上述理论通过APDL编程建立了裂纹扩展路径模拟及疲劳寿命预测模型。该模型可根据裂尖位置进行参数化建模及网格自动划分。将3个典型算例仿真结果与相应解析解或实验结果进行比较,验证了该方法的正确性,为裂纹扩展路径模拟及疲劳寿命预测提供了一种有效的技术手段。     

基于格构离散单元法的准脆性材料断裂研究

为了更好地理解准脆性材料在工程应用中的失效机理,需要不断改进测试方法和分析工具.使用具有极高计算效率的格构离散单元法(lattice discrete element method,LDEM)对准脆性材料进行建模,该方法采用双线性本构模型数值分析,利用杆单元的失效去除来模拟裂纹的萌生与扩展.经验证可见,LDEM受网格划...     

Q345圆钢杆的疲劳破坏模型

为研究结构钢圆杆的疲劳破坏模型,以结构钢的椭球面断裂模型为开裂判据,由结构钢圆杆疲劳裂纹的裂尖真实应力场,计算出结构钢圆杆疲劳裂纹的失稳扩展面积、稳定扩展面积和稳定扩展长度.基于结构钢疲劳裂纹随加载次数加速扩展的试验事实,假定结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率是循环加载次数的单调递增幂函数,即双对数坐标系下结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率和循环加载次数为单调递增线性函数,积分后得到结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展长度和疲劳寿命间的函数表达式,导出结构钢圆杆的疲劳破坏模型.建议的结构钢圆杆的疲劳破坏模型表明,结构钢圆杆的疲劳寿命是名义最大应力、相对应力幅、初始裂纹位置和初始裂纹长度的复杂函数,不能简单化为仅是应力幅的函数.对Q345B圆钢杆进行了常幅循环应力疲劳试验,结果表明,Q345B圆钢杆的疲劳寿命随相对应力幅和名义最大应力的增加而降低.根据Q345B圆钢杆的疲劳试验结果,标定了其疲劳破坏模型参数,验证了建议的疲劳破坏模型精度.     

近门槛区疲劳裂纹扩展特性

本文综述了近年来对近门槛区疲劳裂纹扩展特性的研究,尤其是对短裂纹扩展特性的研究,包括短裂纹的奇异现象。文中强调了裂纹闭合现象对长、短疲劳裂纹扩展的影响,分析了几种闭合机制,对目前各种测量闭合效应的试验方法予以了详细的归纳和评述,指出了在目前的试验条件下,应变片法是一种较理想的方法。最后,文中指出了近门槛区疲劳裂纹扩展研究中一些值得注意的现象和问题。     

Correlation of the positive stress ratio effects on fatigue crack propagation rate of aluminium alloys based on a new parameter da/dS

In-situ SEM （Scanning Electron Microscope） observation of fatigue crack propagation in aluminium alloys reveals that crack growth occurs in a continuous way over the time period during the load cycle. Based on this observation, a new parameter da/dS is introduced to describe the fatigue crack propagation rate, which defines the fatigue crack propagation rate with the change of the applied stress at any moment of a stress cycle. The relationship is given between this new parameter and the conventional used parameter da/dN which describes the fatigue crack propagation rate per stress cycle. Using this new parameter, an analysis has been performed and a model has been set up to consider the effect of the applied stress ratio on the fatigue crack propagation rate. The obtained results have been used to correlate the published test data and a good correlation has been achieved. This method is very easy to use and no fatigue crack closure measurement is needed, therefore this model is significant in engineering application.     

汽包与管道抗疲劳断裂可靠性分析方法

针对火电厂中汽包与管道在运行过程中发生疲劳断裂失效这一类问题 ,提出一种概率疲劳断裂失效分析的新方法 ,它以汽包与管道类压力容器结构的初始疲劳质量状态为基础 ,考虑了汽包或管道在疲劳条件下材质损伤衰变、萌生裂纹及其扩展时的随机性 ,建立起以裂纹长度为准则的汽包与管道发生疲劳断裂失效时的功能函数 ,同时还给出了JC法和一次二阶矩法计算的汽包或管道在不同循环次数下的疲劳裂纹超过数概率     

基于疲劳短裂纹扩展条件的疲劳极限估算方法

晶界是微观结构疲劳短裂纹扩展的主要障碍,疲劳极限实质上是疲劳裂纹能够产生,但不能突破晶界阻碍而继续扩展的最低应力.本文通过对微观结构疲劳短裂纹扩展条件的分析,考虑了晶粒取向对裂纹扩展有效驱动力的影响及晶界对裂纹的临界阻力,提出了-种基于非扩展裂纹行为的材料疲劳极限确定力法.与其他估算方法比较表明,该方法是合理和可行的.     

疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响

主要研究了具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下线弹性裂纹扩展问题.通过分析论证,定量地计算出具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下直线裂纹和弯曲裂纹的扩展速率.综合考虑了疲劳作用应力、裂纹尖端应力强度因子的变化幅值,总结出直线裂纹和弯曲裂纹扩展速率关于疲劳载荷循环比和加载频率的变化函数.     

疲劳裂纹在焊接接头中的扩展及裂纹闭合的研究

焊接接头疲劳裂纹的扩展过程中存在着闭合现象．本文提出了考虑到宏观力学不均匀性时焊接接头的实验及数值分析模型,通过实验及弹塑性有限元法研究了焊接接头疲劳裂纹扩展及闭合现象,分析了裂纹尖端应力分布的变化．结果表明,焊接接头疲劳裂纹的扩展受裂纹闭合的影响,加载过程中裂纹尖端应力过零时对应的外载可作为裂纹张开载荷Pop．同时讨论了力学不均匀性影响疲劳裂纹扩展的本质．     

桥式起重机桥架疲劳裂纹扩展的数值分析

采用有限元方法,计算某桥式起重机桥架的最大主应力分布,通过应力状态判断桥架某处裂纹的主要断裂类型,并利用扩展有限元方法（XFEM）,计算桥架在最大载荷和最小载荷两种状态下不同裂纹长度时裂纹的尖端应力强度因子（SIF）,由此根据Paris疲劳裂纹扩展公式的基本理论,描述该处疲劳裂纹扩展的基本规律,建立裂纹长度与交变应力循环周期数的函数关系,对起重机桥架裂纹短期内快速扩展的原因给出量化分析。结果表明,低应力的循环作用是该处裂纹形成和快速扩展的原因。     

灰色支持向量机在疲劳裂纹扩展预测中的应用

针对预测机械设备疲劳裂纹的扩展进程,在分析灰色预测方法和支持向量机各自的优缺点基础上,提出将二者相结合的一种新的预测模型--灰色支持向量机裂纹扩展预测模型.新模型发挥了灰色预测方法中"累加生成"的优点,弱化了原始序列中随机扰动因素的影响,增强了数据的规律性,同时避免了灰色预测方法及模型存在的理论缺陷.工程实例表明,裂纹扩展测模型较传统的GM(1,1)模型、传统支持向量机模型精度都有所提高.