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。     

应力强度因子的有限元计算

分别介绍和讨论了应力强度因子的有限元计算方法和如何进行裂纹体的有限元建模，应用ANSYS有限元分析软件计算了紧凑拉伸试样的应力强度因子，验证了方法的有效性。     

用有限元法计算自增强厚壁圆筒的应力强度因子

本文提供了计算含裂纹自增强厚壁筒应力强度因子的有限元方法。将自增强产生的自相平衡的残余应力转换为裂纹面上作用的等效载荷进行 K_1计算,自增强残余应力的计算,考虑了厚壁筒用钢具有强化和包辛格效应的真实性能.在分析了有限元计算规律的基础上,给出了便于工程应用的、适合于各种材料和自增强程度的应力强度因子公式。     

轴流叶片单边贯穿型裂纹应力强度因子的计算方法

叶片是轴流式压缩机等透平机械的主要转动部件,在交变荷载作用下易发生疲劳断裂破坏。合理分析叶片裂纹的应力强度因子,对评估其断裂力学特性具有实际意义和应用价值。本文基于平板应力强度因子理论解,采用扩展有限元法计算含单边贯穿型裂纹的轴流叶片的I型应力强度因子,对轴流叶片的裂纹形状因子进行了修正。考虑了裂纹位置和板厚对轴流叶片应力强度因子的影响,采用多项式拟合,提出叶片应力强度因子的半解析解公式。通过与实际轴流叶片仿真分析结果对比,进一步修正半解析解公式,提出用于快速评估含单边裂纹的压缩机叶片断裂力学特性的半解析解。本文提出的计算方法有效提升了实际轴流叶片应力强度因子的分析精度和效率。     

用杂交有限元法计算三维裂纹的应力强度因子

根据放松了连续性要求的修正势能原理及裂纹尖端的应力、位移场,推导了杂交单元的单元刚度矩阵。用杂交元法计算了纯扭转载荷下带有环形裂纹的圆柱体的应力强度因子。计算结果表明,这种计算方法具有较高的精确度。用杂交元法计算了裂面上作用有弯、切,扭载荷试件的应力强度因子,这类试件可用于进行三维断裂准则的实验研究。     

基于ANSYS的V型切口模型应力强度因子计算

基于ANSYS有限元软件,给出了含有切口尖端应力奇异场模型的有限元建模和分析方法,利用有限元模型的分析结果,分别采用多种方法,计算和分析了V型切口平面模型的切口参数对其应力强度因子的影响,并对所采用的不同方法进行了对比和讨论。结果表明,当利用预制切口对材料进行拉伸断裂的机械加工时,应尽可能加大预制切口的长度和减小切口的张角。     

斜耳片连接件应力强度因子表达式的计算研究

运用Ansys有限元软件,建立对称斜耳片受纵向拉载的有限元模型。在边界条件的设定时实现在耳孔面上施加符合实际情况的余弦分布载荷;通过分析耳片无量纲裂纹长度a/R1、外内径比R2/R1及耳孔内径值R1对应力强度因子值的影响,拟合得到对称斜耳片受纵向拉伸载荷的耳孔单边裂纹尖端应力强度因子表达式,并通过相应的剩余强度试验进行验证。其方法可用于其他形式耳片或类似结构的应力强度因子表达式的求解。     

含裂纹螺接件应力强度因子三维有限元分析

对飞机结构螺接件来说,最主要的强度问题之一,是在疲劳载荷下会产生裂纹并扩展。而目前对含裂纹螺接件的应力强度因子(Stress intensity factor,SIF)分析多以简化的二维有限元模型为主。为此,在考虑螺栓与孔壁间的非线性接触、摩擦和螺栓预紧力等因素影响的基础上,利用非线性有限元软件MSC.Marc构建含裂纹螺接件的三维有限元分析模型,通过分析得到不同损伤模式下的SIF与裂纹长度沿板厚度方向的变化曲线。结果表明,虽然螺接件孔边裂纹是复合型裂纹,但Ⅰ型SIF起主导作用,Ⅱ型和Ⅲ型SIF可忽略不计;在裂纹长度一定时,接触面处的SIF最大,外表面处最小,孔边双侧裂纹对称时的SIF大于孔边单侧裂纹情形;裂纹长度相同时,含沉孔螺接件接触面上的SIF大于直孔情形时相应的SIF,而外表面的SIF趋势则恰恰相反。     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的应力强度因子有限元计算分析

ABAQUS软件对中心穿透斜裂纹板及边斜裂纹板进行了有限元模拟.计算复合型裂纹的应力强度因子KⅠ和KⅡ,并将计算结果与现有理论结果进行了比较;分析了裂纹尺寸和裂纹角对应力强度因子的影响.结果表明:裂纹角从0°增大到90°,裂纹类型由复合型向纯Ⅰ型转变;用ABAQUS软件计算复合型裂纹的应力强度因子相对误差保持在5%之内,计算精度完全满足工程要求.     

应力场强计算裂纹应力强度因子的方法研究

探讨通过应力场强得到应力强度因子的方法,并以典型的四类平面裂纹状态为例,着重探讨各类平面裂纹如何应用该方法计算应力强度因子.结果显示,所提方法能快速地求解各类裂纹布置的应力强度因子,可为断裂力学中裂纹扩展、断裂判断问题以及疲劳多裂纹问题的研究提供良好的支持.     

应用三维有限单元法计算应力强度因子

描述了两种基于有限单元计算面形裂纹应力强度因子的方法,建议了一种创造三维有限单元网格的途径。计算方法的精度通过和其它解析或数值解的比较得到了说明。     

XFEM schemes for level set based structural optimization

In this paper, some elegant extended finite element method (XFEM) schemes for level set method structural optimization are proposed. Firstly, two- dimension (2D) and three-dimension (3D) XFEM schemes with partition integral method are developed and numerical examples are employed to evaluate their accuracy, which indicate that an accurate analysis result can be obtained on the structural boundary. Furthermore, the methods for improving the computational accuracy and efficiency of XFEM are studied, which include the XFEM integral scheme without quadrature sub-cells and higher order element XFEM scheme. Numerical examples show that the XFEM scheme without quadrature sub-cells can yield similar accuracy of structural analysis while prominently reducing the time cost and that higher order XFEM elements can improve the computational accuracy of structural analysis in the boundary elements, but the time cost is increasing. Therefore, the balance of time cost between FE system scale and the order of element needs to be discussed. Finally, the reliability and advantages of the proposed XFEM schemes are illustrated with several 2D and 3D mean compliance minimization examples that are widely used in the recent literature of structural topology optimization. All numerical results demonstrate that the proposed XFEM is a promising structural analysis approach for structural optimization with the level set method.     

含接触的多孔多裂纹结构应力强度因子分析

多孔多裂纹结构的损伤是老龄飞机和许多工程结构中存在的一种典型损伤形式,它严重影响着结构的完整性和使用安全。因此,研究多孔多裂纹结构的损伤容限问题,特别是结构的断裂特性,具有重要的工程意义和很高的实用价值。本文主要考虑销钉与结构间的接触问题,应用有限元方法,建立合理的计算模型,计算了多孔多裂纹结构的应力强度因子。通过大量计算,给出了典型多孔多裂纹结构应力强度因子的计算结果曲线,分析其相互影响规律及破坏特性。计算结果和结论可作为该类结构损伤容限设计的参考依据。     

基于ANSYS的裂纹尖端应力强度因子研究

通过ANSYS建立焊接接头三区域模型。分别定义了不同的力学性能参数来模拟焊接接头各个区域力学性能的不均匀性,分别计算裂纹处在焊接接头各个区域的应力强度因子。计算结果表明：焊缝应力强度因子最低,母材次之,热影响区最高。说明材料的屈服强度与裂纹尖端的应力强度因子有密切的关系。屈服强度越高,应力强度因子越低。     

应用改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹应力强度因子

基于有限元计算结果计算结构的能量释放率,利用能量释放率来计算结构的应力强度因子。本文对现有的虚拟裂纹闭合方法作了改进,即应用本文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,且裂纹前缘的有限元单元宽度可以不等。文中以三维表面裂纹为例,应用改进的虚拟裂纹闭合方法计算了该结构的应力强度因子,同时讨论了裂纹前缘有限单元宽度对应力强度因子的影响。     

Ⅰ、Ⅱ型及复合型裂纹动态应力强度因子的有限元分析

对含有预制裂纹的中心穿透裂纹板和三点弯曲试样在动态载荷作用下进行了有限元模拟。前者裂纹面与载荷作用方向的夹角取15°~90°之间的6种情况,后者按纯Ⅰ型和纯Ⅱ型两种方式进行加载。得到了Ⅰ型和Ⅱ型动态应力强度因子的时间历程,并研究不同裂纹角对动态复合比的影响。结果表明:中心穿透裂纹板试样在15°和90°两种情况下KⅡ(t)和KⅠ(t)分别占主导成分;45°时KⅠ(t)和KⅡ(t)基本相同;随着裂纹面与载荷夹角的增加KⅠ(t)呈增加趋势而KⅡ(t)呈先增加后减小趋势。三点弯曲试样按纯Ⅰ型加载时KⅡ(t)基本为零,按纯Ⅱ型加载时KⅠ(t)幅值随时间而增加。     

WRC107总应力强度计算的适用性研究

管道或容器的接管部位由于结构不连续存在较大的局部应力,且分析设计时不易求解,公报WRC107对此给出了一种计算方法,但用其分析接管结构的误差还不是很明确。针对支腿受轴向载荷的圆柱壳上总应力强度的求解,比较了WRC107和有限元计算的结果,研究了接管壁厚及参数β,γ对WRC107计算误差的影响。针对内压和支腿上轴向力共同作用下总应力强度的求解,采用HG20582--1998（钢质化工容器强度计算规定》（即HG法）作为WRC107的补充,研究了其计算的误差。结果显示,接管厚度超过主管厚度2倍时,空心接管可与实心附件等效。WRC107的计算误差依赖参数β,γ,且与有限元结果相比,存在低估总应力强度的情况。以HG法为补充,WRC107可用于计算内压和支腿上轴向力引起的总应力强度。     

求解带圆孔的有限宽板的动态应力集中系数的迭加积分法

基于有限元分析,先求出系统在单位脉冲或者单位阶跃的作用下的响应 (即动应力集中系数 ),进而利用离散卷积或Duhamel积分,就可以方便准确地得到系统在同一类型的任意荷载下的响应。对同一构形结构不必对每种荷载都反复进行有限元分析,极大地节省了时间,而且可以得到非常准确的结果。