表面裂纹应力强度因子计算及扩展跟踪的权函数法

 介绍了一种显式的权函数法,并将这种方法用于圆柱形容器接管外拐角表面裂纹的应力强度因子计算和扩展跟踪上.结果表明,权函数法可以用于分析各种载荷下不同形状的裂纹.就一般的工程问题而言,权函数法不失为一种与有限元法互补的方便有效的分析方法.     

裂纹扩展问题的改进XFEM算法

利用扩展有限元法计算裂尖附近应力、位移场,进而得到裂尖应力强度因子和开裂角;水平集法描述、追踪裂纹,并由单元结点水平集值判别单元类型;将二者结合起来分析处理裂纹扩展问题。针对水平集判别倾斜裂纹单元类型的不足,分析问题的原因,并给出解决方案。最后,通过典型算例分析,表明将扩展有限元法与水平集法结合分析裂纹扩展问题时具有不需网格重构,裂纹与网格相互独立的特点;同时验证了笔者提出解决方案的准确性和可行性。     

扩展有限元法在裂纹扩展问题中的应用

扩展有限元法(Extended finite element method,XFEM)是近几年发展起来的数值方法,属于传统有限元法的扩展,具有区别于传统有限元法的优点,在求解不连续断裂问题上具有更高的精度及效率。本文针对影响裂纹扩展的主要因素进行探讨,继而介绍扩展有限元的基本原理,并对其在裂纹扩展中的应用进行综述,同时对该方法的下一步研究进行了展望。     

受均匀内压作用的偏置孔边径向裂纹的应力强度因子

本文将权函数法与光弹性法相结合研究了受均匀内压作用的偏置孔边径向裂纹的应力强度因子。结果证明该混合法具有简单、经济、精度高等优点。对分析复杂应力场中的裂纹问题,该方法同样适用,且优点更加突出。     

爆炸载荷下边界锐V型切口尖端裂纹扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界锐V型切口端部的动态扩展行为,采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界锐V型切口端部裂纹扩展规律的实验研究。研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界锐V型切口端部的扩展过程中,裂纹扩展速度、加速度和切口端部动态应力强度因子随时间是波动变化的。扩展速度最大值达到210m/s,裂纹扩展加速度最大值为9.47Mm/s2,切口端部动态应力强度因子KdⅠ最大值为0.6MN/m3/2。     

爆炸载荷下边界锐V型切口尖端裂纹扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界锐V型切口端部的动态扩展行为,采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界锐V型切口端部裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界锐V型切口端部的扩展过程中,裂纹扩展速度、加速度和切口端部动态应力强度因子随时间是波动变化的.扩展速度最大值达到210m/s,裂...     

拉—拉疲劳下15MnMoVN多裂纹扩展研究

为分析单裂纹或多裂纹在裂纹面承受疲劳拉伸载荷作用下尖端应力强度因子变化规律和裂纹形貌变化以及疲劳寿命情况,以含不同初始长深比的半椭圆单裂纹或双裂纹的薄片试样为研究对象,对试样在应力比R=0.1的疲劳拉伸载荷下单裂纹或双裂纹情况进行了仿真分析。建立含裂纹试样的有限元模型,仿真分析了裂纹在扩展过程中尖端应力强度因子的分布情况,并将单裂纹扩展结果与双裂纹相互作用影响下的结果进行了对比研究;进行含裂纹试样的疲劳实验,分析了含单裂纹或双裂纹的试样的断裂面的形成原因,并验证仿真结果正确性。结果表明,裂纹面之间的相互作用会逐渐影响裂纹的扩展方向、扩展速率以及在扩展过程中尖端应力强度因子的变化趋势;而且初始形貌为半椭圆形的双裂纹在相互作用影响下会逐渐过渡到半圆形。     

传动箱体的裂纹扩展

某特种车辆的传动箱体是个易损件.在实测载荷的基础上,用断裂力学原理和疲劳强度理论,计算了在程序载荷作用下,箱体危险部位稳定扩展和失稳扩展的启裂裂纹长度和临界裂长度及裂纹扩展寿命占总寿命的比例,为其损伤容限设计和耐久性设计提供了基本依据.     

双轴弯曲载荷下表面裂纹应力强度因子的数值计算

本文通过FRANC3D软件计算双轴弯曲载荷下表面裂纹前缘的应力强度因子,数值计算和理论计算结果基本吻合;通过等裂纹面积不同纵横比的表面裂纹前缘应力强度因子的分析可知:当表面裂纹为浅裂纹时,等裂纹面积下a/c=1/3时椭圆表面裂纹最为危险;当表面裂纹为深裂纹时,等裂纹面积下a/c=2时椭圆表面裂纹最为危险。     

关于瞬态应力强度因子和裂纹扩展加速度之间的关系探讨

将动态焦散线法与高速摄影技术相结合,本文记录了高分子材料悬臂梁内裂纹扩展加速、减速过程。一方面,利用动态焦散线可确定扩展裂尖的瞬态应力强度因子;另一方面,利用最小二乘法将裂纹扩展的水平、垂直位移分量拟合成时间(t)的四次多项式,描述了裂纹扩展方向、裂纹扩展加速度以及裂纹扩展加速度与动态应力强度因子的关系。结果表明:裂纹扩展加速度与动态应力强度因子之间存在一定的依赖关系;利用最小二乘法将裂纹扩展的水平、垂直分量拟合成时间(t)的四次多项式,可以对裂纹的扩展方向、加速度进行定量分析。     

多轴载荷下车轮辐板裂纹扩展特性研究

针对车轮在运行过程中的典型运用工况,采用有限元方法数值模拟了不同运用条件下车轮的机械应力分布,选取辐板最高应力部位作为裂纹的萌生位置。根据线弹性断裂力学理论研究了辐板裂纹在二轴载荷下的应力强度因子和T应力,最后结合Paris疲劳裂纹扩展方程及裂纹扩展门槛值,得到了二轴载荷下辐板表面裂纹的扩展特性和规律。从而得出了二轴载荷条件对辐板表面裂纹扩展的影响。分析结果表明:典型工况下,车轮辐板外侧处于受压状态,内侧处于受拉状态而且变化幅值较大。车轮辐板的内外表面的应力不同,使得辐板同时承受了弯矩,并且弯矩的周向分量和径向分量近乎于正比。由于T应力的影响,车轮辐板裂纹扩展速度比不考虑此应力时的值较为偏低。分析结果对预防车轮疲劳失效、优化车轮设计、保障行车安全,具有重要意义。     

残余应力平板表面裂纹的线弹簧模型

建立了残余应力平板表面裂纹的线弹簧模型,利用边裂纹权函数得到了裂纹表面上沿厚度非线性分布残余应力向线性分布转化的公式;基于Reissner板理论和连续分布位错思想,通过积分变换方法,推导了问题的控制方程和应力强度因子表达式;利用Gauss-Chebyshev方法给出了数值计算结果,并与现有的有限元解进行了比较,结果表明:该模型简单有效,而且精度较高。     

裂纹面荷载作用下多裂纹应力强度因子计算

该文基于比例边界有限元法计算了裂纹面荷载作用下平面多裂纹应力强度因子.比例边界有限元法可以给出裂纹尖端位移场和应力场的解析表达式,该特点可以使应力强度因子根据定义直接计算,同时不需要对裂纹尖端进行特殊处理.联合子结构技术可以计算多裂纹问题的应力强度因子.数值算例表明该文方法是有效且高精确的,进而推广了比例边界有限元法的...     

无应力奇异性条件下的界面应力集中问题研究

应用有限元分析技术,对无应力奇异性条件下的双材料粘接接头的应力集中问题进行了数值研究。首先,根据特征方程分析求解出消除接头界面端和界面角奇异应力场的材料组合和几何条件;据此提出了几种无应力奇异性影响并且为宏观等截面的双材料粘接接头几何模型。然后在轴对称假设条件下,对上述模型理想粘接界面上的应力分布进行了分析,着重讨论了材料组合和界面几何形状对这些应力大小的影响。结果表明:由于材料性能错配,界面上的应力集中现象不可避免,其大小依赖于材料组合和界面几何形状。这些分析结果对于指导界面几何形状优化设计,最终提高界面强度具有一定的参考价值。     

新的估算表面裂纹应力强度因子经验公式

该文给出了新的估算拉伸和纯弯曲载荷下表面裂纹应力强度因子的经验公式。根据疲劳裂纹扩展的数值模拟结果确定强度因子分布函数;利用按已知应力强度因子分布函数求裂纹形状及相应应力强度因子的方法计算给定尺寸的表面裂纹的应力强度因子;通过对数值结果的曲线回归得到估算表面裂纹应力强度因子经验公式。利用该公式对有限厚度和宽度平板内表面裂纹的应力强度因子进行了估算,并与已知的半椭圆形表面裂纹的应力强度因子解进行了比较。该文结果为估算表面裂纹应力强度因子提供了一种新的途径。     

倾斜应力作用下垂直于功能梯度材料夹层的币型裂纹扩展问题

分析了功能梯度材料中币型裂纹扩展问题。该裂纹体受有与裂纹面成任意角度的张应力或压应力,裂纹垂直于无限域中功能梯度材料夹层。假定非均匀介质的功能梯度材料夹层与两个半无限域完全结合,其弹性模量沿厚度方向变化。利用已发表的裂纹应力强度因子数据和线弹性断裂力学的叠加原理,将应力强度因子耦合于最小应变能密度因子断裂判据,讨论了裂纹扩展的临界荷载;并讨论了荷载方向和材料性质对临界荷载的影响。     

金属腐蚀疲劳裂纹扩展速率的近似计算

根据腐蚀疲劳与纯疲劳间的关系 ,利用疲劳学科研究新结果 ,导出了腐蚀疲劳裂纹扩展速率的近似计算表达式 ,并给出了计算示例。结果表明 ,该近似表达式适用于A型腐蚀疲劳裂纹扩展速率的计算。关键词　腐蚀疲劳　裂纹扩展速率　应力腐蚀　有效强度因子     

含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

含径向双边裂纹圆环小试样的疲劳裂纹扩展试验方法

针对传统断裂测试试样受构型的限制往往尺寸较大,无法满足小尺寸金属管疲劳断裂行为测试要求的问题,设计新构型小尺寸试样。并基于有限元分析和柔度理论,建立含径向双边对称裂纹圆环(O-ring with double radial symmetric cracks,DOR)小试样的裂纹长度预测公式和应力强度因子公式,进而提出DOR小试样的疲劳裂纹扩展试验新方法。应用5083-H112铝合金加工成含径向裂纹小管试样和标准CT试样,开展疲劳裂纹扩展速率对比试验。结果显示,基于DOR试样得到的5083-H112铝合金的疲劳裂纹扩展规律与CT试样的试验结果相吻合,证明新方法的有效性。经过对试样端口的测量和分析,试样两侧对称裂纹的扩展量基本一致,说明对称裂纹满足唯一性要求,且不同于CT试样,该圆环试样裂纹前缘非常平直,表明圆环构型试样沿厚度方向的约束状态更加接近。     

涡轮盘篦齿裂纹扩展的有限元数值模拟

为了详细考察篦齿裂纹的扩展规律,对篦齿裂纹从齿尖一直扩展到即将完全穿透篦齿环的过程进行了数值模拟.含篦齿裂纹的涡轮盘有限元模型采用子模型法建立,使用M积分计算裂纹前沿的应力强度因子;在确定篦齿裂纹前沿每一节点处的局部扩展方向及距离后,通过样条曲线拟合出新裂纹前沿,并依靠自适应网格划分实现裂纹区有限元网格的更新.数值模拟结果表明,篦齿根部过渡圆角顶部可以视为裂纹缓慢扩展阶段与快速扩展阶段的分界点,在此之前篦齿裂纹以穿透型裂纹的形态以较低的速度进行扩展,在此之后篦齿裂纹开始向表面裂纹进行转化,并且平均扩展速度大大增加,分界点前的裂纹扩展寿命是之后的数倍.此外,由数值模拟结果还可以发现,增大篦齿根部过渡圆角半径以及减小相邻篦齿的间距,均有助于延缓篦齿裂纹的扩展.