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。     

管道穿透斜裂纹应力强度因子计算

裂纹是引起管道开裂失效的主要原因,裂纹尖端应力强度因子是表征裂纹应力场强度的主要物理量,也是对管道进行安全评估时的主要依据之一,但管道不同于平板,有曲率影响,因此基于平板推导出来的裂纹尖端应力强度因子公式必须进行修正。为了准确计算管道上斜裂纹应力强度因子,建立了不同管道直径、不同裂纹倾角以及不同裂纹长度下的管道穿透斜裂纹有限元模型,并计算了裂纹尖端应力强度因子,在无限大板中心斜裂纹应力强度因子计算公式基础上,修正得到了管道穿透斜裂纹应力强度因子计算公式,这对于含裂纹管道安全评定有重要参考价值。     

激光冲击对金属板料裂纹的影响模型

研究了含有裂纹的金属板料在激光冲击波载荷作用下裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展速度的变化,利用断裂力学理论,对激光冲击加载下裂尖参数计算模型进行优化,采用应力强度因子叠加法,将外加载荷引起的应力强度因子和激光冲击后残留的残余压应力引起的应力强度因子叠加,推导出下裂纹尖端应力场强度因子表达式,由此可精确计算出金属板料的裂纹萌生寿命和裂纹扩展速度,实验验证了航空钛合金Ti6Al4V激光冲击后残余应力对裂纹扩展速度的影响,从而建立了激光冲击作用对板料裂纹扩展的影响的理论模型。     

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.     

两种求解应力强度因子权函数方法的对比分析

对WXR权函数法和通用权函数法的特点进行了分析,并通过计算两种典型一维I型裂纹结构(有限宽板中心穿透裂纹、双边穿透裂纹)承受均布、梯度分布载荷下的应力强度因子,对两种权函数法的精度进行了对比评估。得到以下主要结论:对于二维线裂纹体WXR权函数法精度相对较高,但应用于三维面裂纹体时相对复杂亦不能表现三维效应,通用权函数法能够直接方便地适用于二、三维裂纹问题。两种权函数法对参考应力分布下的应力强度因子计算精度与对复杂非均匀应力分布下的计算精度基本一致,要保证其在复杂应力分布下具有较高的计算精度,必须提高参考应力强度因子解本身的精度。     

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。     

裂纹前沿网格参数对皮带轮应力强度因子的影响

针对皮带轮三维裂纹体端面网格数和轴向网格数的优化问题,基于应力强度因子理论,对皮带轮张开型表面裂纹前沿的网格参数进行了正交实验研究.首先,研究了正交设计理论和应力强度因子的位移法计算原理;然后,在皮带轮应力集中位置,建立了一定大小的裂纹,并对该裂纹的应力强度因子进行了有限元计算;最后,用正交设计方法设计了裂纹体周边网格...     

大型隔膜泵曲轴三维裂纹起裂裕度有限元分析

讨论基于断裂力学理论求解应力强度因子的方法。在此基础上介绍利用Ansys有限元分析软件对含有三维裂纹的隔膜泵曲轴应力强度因子进行计算的过程,同时介绍使用Ansys软件自带的宏命令建立含三维裂纹模型的方法,并使用该方法对含三维裂纹曲轴各个截面在12种工况下分别进行分析,得出各个截面存在裂纹时的危险等级。通过有限元分析计算,可以判断曲轴裂纹是否扩展,从而为生产过程中的探伤等工艺提供参考。     

平椭圆形截面管应力强度因子

作为评估管裂纹断裂韧性的重要参量,应力强度因子的确定尤为重要。为了更好地解决工程实际问题,大多数为三维裂纹问题,采用基于虚功原理和弯曲理论的裂纹张开能量释放率,即G*积分理论来求解带边界平椭圆截面管裂纹问题,得到拉伸载荷作用下平椭圆形截面管裂纹应力强度因子的G*积分表达式。给出的方法计算简单,能够得到封闭解。     

全断面隧道掘进机刀盘裂纹尖端应力强度因子收敛性分析

针对全断面隧道掘进机刀盘裂纹损伤及寿命预测等工程问题,提出了基于子模型技术的应力强度因子求解方法,并用含裂纹的矩形钢板对该方法进行了验证,分析了裂纹网格参数对刀盘裂纹尖端应力强度因子的收敛性影响。结果表明,钢板的应力强度因子数值和理论计算结果最大相对误差为3.6%。同时得到了保证刀盘应力强度因子求解精度和效率的裂纹单元网格参数,为结构的裂纹扩展寿命预测提供了参考。     

带轴向表面裂纹海洋管道的断裂计算与可靠性评估

针对带轴向表面裂纹海洋石油管道,利用权函数方法,给出计算裂纹前沿应力强度因子的积分表达式,进而导出满足工程精度要求的应力强度因子的实用计算公式.在断裂分析的基础上,基于概率统计理论,采用极限分析方法为带裂纹海洋石油管道建立断裂可靠性评估方法,给出断裂失效概率和可靠度的计算公式,并给出典型算例的数值计算结果.     

弯曲载荷作用下鳍形壳典型周期性裂纹应力强度因子

不同载荷下含裂纹工程构件的应力强度因子是断裂分析的核心问题之一.细长的鳍形壳具有壳和梁的双重特性,在其横截面上常会出现一些典型周期性裂纹,如周期性鳍上裂纹和环向裂纹.在弯曲作用下,裂纹尖端附近会出现不同的奇异应力场.从守恒定律和初等力学出发,提出了一种简单易懂的确定应力强度因子的方法,该方法计算的应力强度因子与有限元计算结果吻合良好.     

基于Schwartz-Neuman交替法的压力容器内接管表面裂纹的断裂力学分析

采用Schwartz-Neuman交替法计算了一个典型反应堆压力容器内接管应力集中处1/4椭圆形表面角裂纹的应力强度因子,并分析了角裂纹的应力强度因子随裂纹几何参数变化的规律。为了评估Schwartz-Neuman交替法的精度,首先计算了常规圆管上两种不同形式表面裂纹的应力强度因子,并通过与解析解的比对验证了Schwartz-Neuman交替法的良好计算精度。所得反应堆压力容器内接管应力集中处1/4椭圆形表面角裂纹的应力强度因子与文献[4]中有限元解吻合良好;但与常规有限元分析的计算模型相比,Schwartz-Neuman交替法所使用的单元数仅为前者的1%。算例表明,Schwartz-Neuman交替法不仅计算模型简单,并且可以准确地分析复杂结构中任意形状和深度的表面裂纹,因而它在三维复杂结构中裂纹的应力强度因子计算上具有明显的高效性。     

厚壁筒双轴向表面裂纹尖端应力强度因子影响因素的研究

在现有文献对平面结构任意分布多裂纹间相互作用影响因素及厚壁筒轴向表面单裂纹尖端应力强度因子分析的基础上,提出了包含裂纹尖端应力强度因子影响因素的厚壁筒双轴向表面裂纹尖端应力强度因子公式.根据有限元方法,利用ANSYS软件对不同厚壁筒壁厚比、不同裂纹深度比及不同裂纹夹角情况下双轴向表面裂纹尖端应力强度因子进行了计算,分析...     

高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端力学参数变化规律

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中带有Ⅰ型预制裂纹的紧凑拉伸(CT)试件裂纹尖端力学参数的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场及裂纹尖端的应力强度因子,并分析了其变化规律。在计算裂纹尖端应力强度因子时,首先采用静态有限元方法和理论公式验证了有限元建模和计算的正确性,然后采用动态有限元方法研究了裂纹扩展过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。最后进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了裂纹扩展到不同阶段时裂纹尖端点的应变,并对有限元计算结果进行了验证。研究结果表明：在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下Ⅰ型疲劳裂纹尖端位移、应变及应力强度因子均为与载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,Ⅰ型疲劳裂纹尖端的位移、应变及应力强度因子幅不断增大;静态应力强度因子有限元计算值和理论值的误差为2.51%,裂纹尖端点应变有限元计算结果和试验结果最大误差为2.93% 。     

高压输气管道内裂纹相互作用的有限元数值分析

基于三维虚拟裂纹闭合技术（3D-VCCT）,利用大型有限元分析软件ANSYS对内表面含单条半椭圆裂纹的高压输气管道的应力强度因子进行计算,计算结果与已有结果具有相当好的一致性,并验证了该方法应用于薄壁管道计算的有效性。然后考虑了2条对称副裂纹的短半轴与长半轴的比值,主副裂纹的距离以及主副裂纹环向角度对主裂纹应力强度因子的影响,得到主裂纹应力强度因子的变化规律,并给出了主裂纹最深点和表面点应力强度因子的计算公式。提出的计算方法和结果对高压埋地输气管道的风险评估、设计和施工具有一定的参考价值。     

内压作用下弯管环向穿透裂纹应力强度因子分析

应力强度因子是缺陷结构安全评定的必需参数。利用有限元分析软件ANSYS建立了内压作用下弯管环向穿透裂纹模型,以管道外径、管道厚度、纵向裂纹角、裂纹半角、环向裂纹角为参数,对不同参数下的应力强度因子进行了计算。结果表明:应力强度因子与纵向裂纹角θ1无关;应力强度因子随裂纹半角θ的增大而增大;应力强度因子随环向裂纹角θ2的增大先减后增。依据计算结果对参数进行了无量纲化,继而拟合了内压作用下弯管环向穿透裂纹应力强度因子计算关系式。     

计算应力强度因子的无网格-直接位移法

目前计算裂纹尖端应力强度因子的无网格法一般均采用。积分方法,但由于该方法为间接求解,降低了求解精度与求解效率。文中采用无网格—伽辽金方法,选取带有扩展基的奇异基函数,以精确计算裂纹尖端位移场,并借鉴有限元法中计算应力强度因子的直接位移法,提出一种计算含裂结构裂纹尖端应力强度因子的新方法,即无网格—直接位移法。数值计算结果表明,该方法具有简捷、高效的特点,可以准确计算裂纹尖端应力强度因子。     

考虑裂纹面摩擦的有限多裂纹板的应力强度因子解析与数值方法

对在双轴压缩作用下,考虑裂纹面间摩擦力的无限大板中双裂纹与单裂纹的应力强度因子解析解进行对比分析。结果表明,裂纹面间的摩擦力对多裂纹应力强度因子的修正系数是没有影响的,只对有效剪应力产生影响。以无限板周期裂纹的解为例,将该解析解作为有限板共线多裂纹应力强度因子的近似理论解,运用有限元数值计算有限板共线双裂纹的应力强度因子,并将其结果与近似理论解进行对比分析。计算结果表明,有限板共线双裂纹应力强度因子的近似理论解与通过有限元法计算得到的数值解基本吻合,验证裂纹面间摩擦力对应力强度因子的修正系数没有影响,裂纹面间无摩擦力时多裂纹相互影响引起的修正系数可以作为考虑裂纹面间摩擦力时的修正系数。     

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。