工字型梁腹板中Ⅲ型裂纹应力强度因子分析

基于能量释放率研究Ⅲ型裂纹平面应变条件下的J积分能量表达式。采用有限元软件模拟了工字梁腹板受扭转时裂纹裂尖应力奇异场,通过数值模拟得出裂纹区的应力、位移分布状态,并计算应力强度因子和J积分,从而验证表达式的可行性。     

基于能量密度等效的Ⅰ-Ⅱ型裂纹K因子半解析模型

应力强度因子K是控制脆性断裂与疲劳裂纹扩展行为的重要力学量,历史上各类裂纹试样的K因子计算方法与公式都较复杂,所得到的KⅠ和KⅡ表达式为不同形式的回归式,公式的适用范围有限。针对含Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的试样,基于能量密度等效原理提出求解Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的K因子半解析模型,模型参数少,形式简单,普适性强,适用范围广。半解析模型预测的应力强度因子与文献结果和有限元结果吻合,该模型为脆性断裂与疲劳裂纹扩展行为相关研究提供了重要的理论基础。     

基于有限元法对裂纹尖端应力强度因子的计算分析

应力在裂纹尖端会出现无限大的奇异性,但应力强度因子K则为有限值,是表征裂尖应力场强弱的物理参量。采用J积分法,位移外推法和相互作用积分法等3种不同的方法计算断裂模型裂尖的K值,并研究了受力、裂纹长度、含裂纹构件的几何参数等对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明3种方法模拟出的K值结果一致性较好,与应力强度因子手册值相比都能达到较高精度。对照3种方法,分析出各种方法的优胜劣汰,对应用数值法计算应力强度因子方法的选择具有借鉴和参照作用。     

纯Ⅱ型载荷作用下裂纹的三维厚度效应研究

采用修正的边界层模型，利用有限元计算方法对纯Ⅱ型裂纹的厚度效应进行分析和研究，通过比较三维裂纹纯Ⅰ型和纯Ⅱ型裂纹尖端的应力、应变以及J积分和裂尖张开位移等参数，得到纯Ⅱ型载荷作用下厚度效应影响弱的认识。与Ⅰ型结果相比可以看出，在Ⅱ型载荷作用下裂尖的应力、应变场的厚度效应不明显，但三维影响区的大小与Ⅰ型基本相同，在裂尖前方半厚度以内存在着很强的三维效应区，从半厚度到1．5倍厚度范围应力在不同的厚度位置有显著的变化，在1．5倍厚度以外的区域表现为平面应力场的特性。在纯Ⅱ型载荷的作用下，三维J积分J^local沿厚度分布不随载荷变化，且基本没有厚度效应，裂尖滑动位移(crack tip sliding displacement，CTSD)也没有厚度效应；沿不同厚度截面，J^local积分和CTSD存在线性关系。     

双材料界面裂纹应力强度因子计算

建立不同裂纹长度的双材料界面裂纹模型,用有限元软件计算和分析界面裂纹尖端附近的应力场和位移场.利用裂尖前沿应力和裂纹面相对位移分别计算了界面裂纹尖端的应力强度因子K,两种方法计算的K值完全吻合.通过数值分析,给出一种计算双材料界面裂纹应力强度因子K的经验公式.     

计算Reissner理论各向异性板应力强度因子的半权函数法

由功能互等定理导出用半权函数表示的各向异性板应力强度因子的解析表达式，并给出基于Reissner板理论含裂纹的各向异性板受弯曲、扭转和剪切作用的半权函数。计算含中心裂纹四边自由受纯弯曲作用板的应力强度因子，并与有关的结果进行比较，表明此方法简便、可靠。     

疲劳裂纹扩展中单峰过载引起的残余应力强度因子计算

采用弹塑性有限元方法,模拟由不同过载比单峰过载引起的有限宽板单边裂纹试件裂纹尖端附近的残余应力分布.选用混合高斯模型(正态高斯模型结合高斯指数衰减模型)对沿裂纹方向的残余应力作回归分析,得到残余应力σres与过载应力强度因子Ko1的关系式.在此基础上,利用权函数法计算残余应力强度因子kres,为建立基于裂尖残余应力的裂纹扩展模型创造条件.     

复合结构圆柱钱币裂纹的应力强度因子

利用裂纹张开能量释放率建立一个求解复合圆柱钱币裂纹应力强度因子的方法。给出G^*-积分在三维裂纹裂尖边缘近场的应力强度因子表征，G^*-积分与载荷、几何参量以及力学性能参数的关系，进而得到复合圆柱钱币裂纹的应力强度因子。研究表明该积分法用于分析计算有限边界三维裂纹问题，过程极为简单。     

复合材料层间增韧机理的有限元分析

在复合材料层间植入韧性夹层,可以有效提高层间韧性,其增韧机理在于夹层可以有效降低纤维层对裂纹尖端的约束,并降低裂纹尖端应力.文中建立层间裂纹的有限元模型,采用数值分析方法,分别计算加入夹层前后裂纹尖端的J积分值、应力强度因子以及裂纹尖端的应力场.计算结果表明,加入夹层后Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹尖端的J积分、应力强度因子和裂尖应力场均显著降低,并指出在夹层和相邻纤维层间界面附近出现的高应力区是造成界面失效的一个原因.     

含裂铆接搭接板应力强度因子分析方法

针对工程中广泛存在的铆接搭接结构断裂问题，充分考虑搭接板裂纹通过铆钉后铆钉继续传力的特点，利用位移连续条件，提出裂尖应力强度因子有限元分析模型。计算典型铆接搭接结构应力强度因子曲线，分析所提模型及其计算结果的合理性、正确性。提出的计算方法为铆接搭接结构应力强度因子提供了便捷、有效的分析手段，所得结果可供工程结构损伤容限分析时参考。     

Numerical analysis for prediction of fatigue crack opening level

Finite element analysis (FEA) is the most popular numerical method to simulate plasticity-induced fatigue crack closure and can predict fatigue crack closure behavior. Finite element analysis under plane stress state using 4-node isoparametric elements is performed to investigate the detailed closure behavior of fatigue cracks and the numerical results are compared with experimental results. The mesh of constant size elements on the crack surface can not correctly predict the opening level for fatigue crack as shown in the previous works. The crack opening behavior for the size mesh with a linear change shows almost flat stress level after a crack tip has passed by the monotonic plastic zone. The prediction of crack opening level presents a good agreement with published experimental data regardless of stress ratios, which are using the mesh of the elements that are in proportion to the reversed plastic zone size considering the opening stress intensity factors. Numerical interpolation results of finite element analysis can precisely predict the crack opening level. This method shows a good agreement with the experimental data regardless of the stress ratios and kinds of materials.     

用切口尖端应力方法分析V形切口的应力强度因子

为了基于传统有限元法分析圆轴中的V形切口尖端的奇异性应力场的高精度数值解,建立一种切口尖端应力方法,用于计算V形切口的应力强度因子.该方法不需要在V形切口尖端采用反映应力奇异性的奇异单元.求解时,首先给定参考问题的广义应力强度因子,然后利用待求问题的应力值与参考问题的应力值之间的比值来求解待求问题的广义应力强度因子.算例采用切口尖端应力方法分析圆轴中的V形切口问题.计算结果表明,该方法计算精度较高,能方便地用于求解相关的工程问题.     

The singular stress field and stress intensity factors of a crack terminating at a bimaterial interface

For the fracture evaluation of inclined cracks terminating at the dissimilar material interface, not only the singularities, but also the detailed stress field and its stress intensity factors are necessary. However, though there are many researches reported on the singularity analysis, the stress field and its stress intensity factors are still not clear. This paper has deduced theoretically the singular stress and displacement fields near the tip of a crack terminating at the interface between bonded dissimilar materials, for both cases of real and oscillatory singularities. From the deduced singular stress field, the stress intensity factors are defined for such a crack, and the corresponding numerical extrapolation methods are also proposed. Through the numerical examinations, it is found that the theoretical stress distributions agree well with the numerical results obtained by the finite element method. Moreover, the proposed extrapolation method shows a good linearity, thus it can be used as an efficient way to determine the characteristics of the stress and displacement fields near the tip of a crack terminating at interface.     

奇点分析单元法在断裂问题中的应用

将裂纹应力计算问题导向哈密顿体系，利用分离变量法及本征函数向量展开等方法，推导出裂纹尖端的尖力奇性解的计算公式。结合变分原理，提出一种解决应力奇性计算的奇点分析单元。将此分析单元与有限元法相结合，可以进行某些断裂力学或复合材料等应力奇性问题的计算及分析。数值计算结果表明，该方法具有精度同，使用十分方便、灵活等优点，是哈密顿体系优越性的一次具体体现。     

基于解析有限元的齿根裂纹时变啮合刚度计算方法

当齿轮发生故障时,时变啮合刚度的变化能够反映齿轮故障特征大小。因此,时变啮合刚度在齿轮传动过程中是一个重要的动力学参数。提出一种新的齿根裂纹啮合刚度计算方法,即解析有限元法（Analytical-finite element method,A-FM）。考虑到齿轮发生故障时,啮合刚度解析模型计算精度较低,将应力强度因子引入裂纹齿轮的啮合刚度计算过程。首先定义应力强度因子与啮合刚度之间的关系,通过建立齿轮接触模型计算裂纹尖端附近的应力强度因子,然后将计算结果替代解析模型中故障刚度部分。由于应力强度因子能够敏感地识别齿根裂纹的局部微小变化,故该方法相比于解析法具有更高的计算精度,相比于有限元法具备更快的计算效率。同时,建立6自由度动力学模型,通过对其振动响应进行分析,仿真结果验证了所提方法的可行性。     

高精度求解应力强度因子的数值外插法

首先介绍求解应力强度因子的传统蜕化奇异等参元法和一种新型的数值外插法,两种方法均在裂尖使用精度较高的蜕化奇异二次等参元,考虑到传统方法受裂尖单元尺寸大小,结构物类型,材料泊松比影响较大等缺陷,新方法使用了不同的插值手段。其次,讨论了两种方法插值基础的显著区别,结合空间Ⅰ型裂纹问题论证了新型数值外插法的插值基础,研究了两种方法的理论插值误差,发现本文提出的数值外插法比传统的蜕化奇异等参元法的理论精度高一阶,最后,对两种方法的计算误差进行了探讨。数值外插法考虑到有限元计算断裂问题的误差,能以一定的方式决定不同裂纹问题的优化裂尖单元尺寸。     

A study on the determination of closing level for finite element analysis of fatigue crack closure

An elastic-plastic finite element analysis is performed to investigate detailed closure behavior of fatigue cracks and the numerical results are compared with experimental results. The finite element analysis performed under plane stress using 4-node isoparametric elements can predict fatigue crack closure behavior. The mesh of constant element size along crack surface can not predict the opening level of fatigue crack. The crack opening level for the constant mesh size increases linearly from initial crack growth. The crack opening level for variable mesh size, is almost flat after crack tip has passed the monotonic plastic zone. The prediction of crack opening level using the variable mesh size proportioning the reversed plastic zone size with the opening stress intensity factors presents a good agreement with the experimental data regardless of stress ratios.     

某型主战坦克扭力轴的疲劳断裂分析与寿命计算

应用断裂力学理论和有限元分析方法对某型主战坦克扭力轴进行疲劳断裂计算和分析，论述裂纹尖端的奇异三角形单元划分技术，在有限元法计算的基础上求解裂纹尖端应力强度因子和裂纹形状系数，并结合Paris公式对某坦克扭力轴的疲劳寿命进行计算。     

三维压电介质界面裂纹的边界积分-微分方程

基于三维两相横观各向同性压电介质的基本解和压电介质的Somigliana恒等式，利用发散积分的有限部理论，建立以裂纹面上的不连续位移和不连续电势为基本未知量的三维压电介质界面裂纹问题的超奇异积分－微分方程组，其中的积分核具有O（1/r^2）阶的奇异性。当两相材料退化为均质材料或单相材料时，方程组中的微分项的系数为零，从而积分－微分方程组退化为已有的均质压电材料的超奇异边界积分方程。