多圆孔边裂纹应力强度因子复变函数解

飞机机身蒙皮结构多紧固件,孔边裂纹扩展过程中的加速效应主要表现为多条疲劳裂纹之间应力强度因子的相互干涉。基于Muskhelishvili复变函数理论和有限截项原则,提出一种修正的近似迭加方法,用于求解远场应力作用下的多圆孔边裂纹应力强度因子,并分析了双孔等长裂纹、双孔不等长裂纹、三孔等长裂纹、三孔不等长裂纹等四种开裂模式的应力强度因子变化规律。算例表明,随着相邻裂纹尖端逐渐趋于接近,裂纹间的干涉效应表现明显,无量纲应力强度因子快速增加。     

多处损伤的疲劳裂纹扩展分析方法研究

多处损伤(multiple site damage，MSD)是影响老龄飞机结构完整性的重要因素之一。文中以线弹性断裂力学为基础，将应力强度因子组合模型、裂纹连通准则、断裂准则以及MSD扩展中相关性处理综合在一起，建立一种等幅载荷谱下MSD裂纹扩展分析方法，并用所编程序对三种典型MSD模式的扩展与断裂过程进行计算分析。结果表明，寿命预测结果与试验结果吻合很好。     

共线多孔MSD的干涉影响及裂纹扩展模拟

对无钉载LY12CZ中心单裂纹铝板进行等幅疲劳加载,运用FRANC2D/L进行模拟,所得数值模拟结果与试验结果接近,具有一定可靠性。同时运用FRANC2D/L对多孔等长裂纹、多孔主裂纹、多孔不相邻裂纹、多孔相邻裂纹和单裂纹等五种开裂模式裂纹扩展的应力强度因子分布和裂纹扩展寿命进行分析和计算。结果表明裂纹的干涉作用随裂纹长度的增加越来越显著,并且中心裂纹相对于邻近裂纹扩展寿命偏小。     

干涉预应力释放对三维裂纹尖端应力强度因子的影响研究

以冷挤压孔三维裂纹为讨论对象,应用ANSYS大型工程有限元计算软件,在线弹性条件下,模拟由于干涉产生的预应力释放的真实过程,研究预应力释放对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。文中将干涉预应力考虑为内部载荷,分别对不同裂纹长度下的含裂纹体进行挤压,在不同的挤压状态下直接求解应力强度因子,以此等效地模拟裂纹扩展过程中干涉预应力释放的应力强度因子求解。文中通过计算分析,给出了考虑干涉预应力释放的真实情况下裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度及模型厚度的改变趋势和规律,并与不考虑干涉预应力释放的情况下裂纹尖端的应力强度因子进行对比分析。     

含多处损伤多孔铆接加筋板应力强度因子研究

多孔多损伤(multiple site damage,MSD)加筋结构的损伤容限评定,特别是MSD裂纹应力强度因子(stress inten sity factor,SIF)的精确求解是当今航空工程中亟待解决的问题.文中采用铆钉的两种表现形式(常规2D元和简化的弹簧元)的组合方式,建立含MSD多铆钉多筋条加筋平板结构的有限元模型,通过计算得到加筋板不同损伤模式下SIF随裂纹扩展历程变化规律的曲线,与已有的文献比较表明,本文数值结果精确、方法可靠,即不同长度裂纹的SIF计算可有效地通过FIRANC2D/L软件的裂纹扩展功能实现;同时分析MSD、腐蚀损伤、铆钉与孔间的干涉配合、铆钉材料及直径和筋条刚度等因素对SIF的影响规律,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.     

老龄飞机MSD结构剩余强度评定技术

讨论了多部位损伤(MSD)对结构安全性的影响和MSD结构安全性评定所赋予的新内容。通过等距等长共线孔孔边裂纹平板和等距等长共线裂纹平板的剩余强度计算,研究分析了MSD结构剩余强度评定中裂纹之间的相互作用、材料塑性、裂纹连通准则和破坏准则等关键技术。     

基于扩展有限元模型的动态应力强度因子计算

为准确计算基于扩展有限元法（XFEM）的裂纹扩展模型中的应力强度因子,在ABAQUS软件中建立中心裂纹平板和三点弯曲的XFEM模型,采用相互作用积分法,通过用户子程序接口分别实现了Ⅰ型、Ⅱ型断裂模式下裂纹扩展过程中应力强度因子的计算;研究了网格密度与积分半径对XFEM模型应力强度因子计算精度的影响规律,研究结果表明：当网格密度因子为0.012~0.016、相对积分半径为3时,应力强度因子收敛至稳定值,计算误差不超过3%。利用所提方法与程序计算了单边带孔疲劳裂纹扩展试样的动态应力强度因子,试验结果表明：基于Paris理论预测的剩余寿命与疲劳试验结果误差为5.3%,进一步验证了所提方法与程序的正确性。     

起重机箱形梁贯穿裂纹尖端前沿形状简化研究

以36t集装箱门式起重机箱形梁为研究对象,针对结构的疲劳裂纹,利用有限元分析软件Abaqus建立了起重机箱形梁的整体有限元模型和裂纹子模型,采用相互作用积分法分别求解了下盖板和腹板上实际斜裂纹以及相应简化等长裂纹的应力强度因子K_I,研究了起重机箱形梁贯穿裂纹尖端前沿形状简化的合理性。通过对比分析计算结果,发现简化等长裂纹尖端的最大应力强度因子K_I,总是大于实际斜裂纹尖端的应力强度因子值,说明将实际斜裂纹简化成等长裂纹是有效可行的。为起重机箱形梁结构进行断裂分析提供了依据。     

拉伸载荷下穿透双裂纹干涉行为与合并准则研究

多裂纹的扩展与合并行为显著影响工程构件的剩余强度与使用寿命。为获得裂纹合并规律,对含不同长度和不同相对位置的非等长穿透双裂纹平板试样进行了拉伸试验,并基于延性损伤模型开展了有限元分析。结果表明,数值模拟中裂纹张口位移变化、扩展与合并行为与试验结果一致。此外,非等长穿透双裂纹长度及相对位置的变化,显著影响裂纹尖端的应力三轴度分布,进而影响双裂纹的合并行为。通过大量数值模拟分析,提出一种基于裂纹长度和相对位置的新合并准则。对照71组试验结果发现,新合并准则预测准确率高达84.5%;对照274组数值模拟结果发现,准确率高达91.2%。所提出的拉伸载荷下裂纹合并准则不仅具有显著高于现行含缺陷结构安全评定标准中合并准则的准确率,并且具有必要的保守性,可为工程构件中多裂纹合并与否提供有效判断。     

含多个穿透裂纹的多孔紧固件传载结构裂尖应力强度因子研究

多孔多裂纹紧固件传载结构的安全问题是当今航空界中广泛关注的问题之一.文中通过采用销钉和平板间接触的有限元方法,建立含单裂纹单孔、含单裂纹的串联双孔、含双裂纹的串联双孔、含四裂纹的串联双孔、含双裂纹的并联双孔和含四裂纹的并联双孔紧固件传载结构等六种计算模型,对计算模型的裂纹尖端应力强度因子进行计算.通过大量计算,给出典型的串联多孔多裂纹连接结构和并联多孔多裂纹连接结构应力强度因子计算结果曲线,分析其相互影响规律和原因,计算结果和结论可以作为该类结构损伤容限设计的参考依据.     

一种加筋板多裂纹应力强度因子的试验验证方法

给出一种加筋板多裂纹应力强度因子试验验证方法,是基于等幅载荷下裂纹扩展速率反推得到的.该方法不仅能确定复杂问题的应力强度因子,而且能验证确定加筋板多裂纹应力强度因子的类比法.进行LY12CZ铝合金加筋板多裂纹裂纹扩展试验,给出试验验证反推应力强度因子的方法及过程.并给出用类比法近似计算的结果和试验验证结果及平均值.同时也指出这一方法可解决复杂问题应力强度因子的确定,但裂纹扩展速率存在一定的分散性.得到的结果表明试验验证方法和类比法对于确定加筋板多裂纹应力强度因子是可用的.     

直齿轮弯曲疲劳裂纹的扩展行为预测与分析

以渐开线圆柱齿轮为研究对象,在其齿根部存在初始裂纹的前提下,研究齿根疲劳裂纹扩展特性及其寿命;将齿轮啮合过程的动力学计算等效为多个啮合位置的静力分析,得到不同位置的应力强度因子;根据线弹性断裂力学,将裂纹扩展过程线性等效,以K判据分析裂纹是否发生扩展,根据Paris准则计算裂纹扩展量,采用最大周向应力准则确定裂纹扩展角度,得到整个计算周期的应力强度因子、疲劳裂纹扩展路径及疲劳寿命;采用高频试验台对齿轮进行疲劳试验,得到齿轮的疲劳扩展路径,与有限元计算结果进行对比验证;最后分别分析了初始裂纹的尺度、位置和载荷的不同对疲劳裂纹的扩展及疲劳寿命的影响。     

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。     

焊趾裂纹前沿扩展的动态数值仿真分析

采用半圆形表征焊趾初始表面裂纹,以应力强度因子幅值作为裂纹扩展的驱动力,基于NASGRO裂纹扩展速率模型,考虑应力强度因子幅值门槛值和断裂韧性的影响,研究了整个裂纹前沿的动态演变过程。揭示了复杂焊趾形貌处初始裂纹的位置对裂纹扩展模式的影响规律,得出不同扩展模式下的疲劳寿命分布;分析了裂纹前沿应力强度因子的分布状况以及其在不同方向上的分布特点。开展了十字焊接接头的疲劳对比试验,试验结果与仿真结果具有较好的一致性。     

运用无网格伽辽金法(EFGM)评价点焊节点的应力强度因子

在设计汽车骨架等薄壁点焊结构时,必须对薄壁构件焊点的疲劳强度进行精确评估。点焊点处的接触界面可以看作是一种环形裂纹,对其疲劳强度的评估可以通过计算线性弹性断裂力学中的应力强度因子K来完成。对于多轴疲劳载荷试验而制作的双杯（double cup）薄板点焊试件,在对焊点处裂纹扩展分析的基础研究中,利用无网格伽辽金法（enriched element-free Galerkin method,Enriched EFGM）对双杯试件点焊接触点进行分析,同时验证应力强度因子的精确性。     

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% 。     

基于断裂力学的多部位损伤结构的剩余强度分析方法研究

老龄飞机中由于多裂纹的产生将导致结构剩余寿命大幅削减。针对如飞机机舱上布有沿纵向铆钉接头的隔板结构,文中给出一种分析多部位损伤结构剩余强度的方法。裂纹扩展模型是分析的基础,文中对两类(单参量和三参量)扩展模型进行讨论,给出裂纹在增量载荷下萌生与稳定扩展的处理方法。基于Irwin和Dugdale裂尖张开位移模型与Swift准则,给出较为完整的分析多部位损伤(multiple site damage,MSD)结构剩余强度的方法。最后,通过对飞机压力舱上的沿纵向铆钉接头的模拟计算,对文中方法进行验证。由分析结果可知,采用文中方法计算得到的剩余强度值与试验值符合得较好,该方法能较为准确有效地对复杂MSD结构的剩余强度进行分析。     

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。     

不同结构参数对7075铝合金耳片疲劳裂纹扩展寿命的影响

为探索不同结构参数对飞机耳片疲劳裂纹扩展寿命的影响,采用数值模拟与试验相结合的方法,分别对不同结构参数7075铝合金耳片试样进行疲劳试验,基于Abaqus软件建立了不同结构耳片的三维应力强度因子计算模型,并将有限元解和实验结果、解析值比较验证了该模型的准确性.最后,通过Paris公式和断裂力学方法计算比较了各结构参数耳片的裂纹扩展寿命.研究结果表明,在相同应力下,随着锥度角的增大,耳片疲劳裂纹扩展寿命迅速增加,而底部倒角对其几乎不产生影响.     

飞机蒙皮广布疲劳裂纹损伤扩展特性分析

广布疲劳损伤是老龄飞机的主要损伤模式,会严重降低老龄飞机使用的安全性。首先基于最大周向拉应力准则,分析确定建模和计算使用的断裂判据;然后使用ABAQUS软件,建立了含两条及多条裂纹蒙皮模型,分别改变裂纹角度、紧固件孔的形状和孔径大小,采用扩展有限元法对模型进行分析计算,得到各个模型的应力强度因子和能量释放率,进而分析得出裂纹初始及扩展时的路径,并总结各种模型参数对裂纹扩展的影响规律。