带裂纹功能梯度材料薄板SIFs分析的广义参数Williams单元

根据Williams级数位移场,仅考虑弹性模量E为坐标的函数,通过改变裂尖奇异区微单元刚度集成方式,推导建立了功能梯度材料薄板平面断裂分析的广义参数Williams单元新格式.结合含中心斜裂纹和边界裂纹的功能梯度材料薄板,分析了弹性模量E的分布形式、裂纹倾角及裂纹长度对裂尖应力强度因子的影响.算例结果表明:该方法能够直接且高效求解带裂纹功能梯度材料薄板的裂尖应力强度因子;当弹性模量E呈单调变化且其梯度与荷载方向平行或垂直时,分别会使中心斜裂纹两个裂尖的I型或II型应力强度因子值产生差异,而应力强度因子随裂纹倾斜角度的分布规律并不受弹性模量E的分布形式影响.     

交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的Williams单元

为了研究交叉裂纹各裂尖应力强度因子之间的相互影响,建立了交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的Williams单元,以十字交叉裂纹为例,分别对正交十字裂纹或斜十字裂纹各裂尖应力强度因子相关参数进行研究,分析了薄板尺寸、裂纹夹角与奇异区尺寸等相关参数对十字交叉裂纹各裂尖应力强度因子的影响,其中K_Ⅰ、K_(Ⅱ)为裂尖Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。算例分析表明,当板宽与裂纹长度满足W/a≥13时,能够忽略板的尺寸对正交十字裂纹裂尖应力强度因子的影响,可视为无限大板;对于斜十字裂纹情况,当水平裂纹长度不变时,随着斜裂纹长度参数d的增大,K_(Ⅰ,A)、K_(Ⅱ,C)和K_(Ⅰ,D)逐渐递减,而K_(Ⅱ,A)、K_(Ⅰ,B)、K_(Ⅱ,B)和K_(Ⅰ,C)逐渐递增,对于K_(Ⅱ,D)则出现先减后增的趋势;当斜裂纹长度参数d=0时,随着裂纹夹角γ的变化,K_(Ⅰ,A)、K_(Ⅰ,B)大小相等,符号相同,K_(II,A)、K_(Ⅱ,B)则大小相等,符号相反,且各裂尖应力强度因子对裂尖奇异区尺寸不敏感。证明了Williams单元能够同时快速求解交叉裂纹各裂尖应力强度因子,且具有较高的计算精度。     

内部压力作用下无限大板中椭圆孔及裂纹问题

为研究在工程实际中经常遇到的无限大板含有椭圆孔及裂纹问题,采用改进的带裂尖单元位移不连续法,重点研究在内部压力作用下裂纹扩展规律.通过改变椭圆孔的几何参数,揭示出孔的几何参数对断裂参数应力强度因子(SIF)的影响.结果表明:椭圆孔对裂纹的应力强度因子(SIF)具有一定的屏蔽作用,这种屏蔽作用随着椭圆孔的几何参数而变化,该研究在工程上具有重要意义.     

复杂荷载作用下带裂纹薄板SIFs的快速解法

针对集成的总刚大小根据自由度数的增加出现剧增,导致计算机内存占用量过大、计算速度缓慢的问题,提出通用威廉姆斯(Williams)单元与矩阵压缩结合的SIFs(应力强度因子)快速解法,充分发挥Williams单元求解SIFs的直接性与矩阵压缩的高效性.在裂尖奇异区建立Williams单元得到所有SIFs的直接表达式,外围常规区按常规有限元法建模,对整体刚度矩阵采用压缩存储,并改进LU分解法以快速求解含压缩矩阵的刚度方程.算例分析表明:该方法能快速求解平面内与平面外荷载共同作用下带裂纹薄板所有裂尖SIFs,且具有较高的计算精度.     

改进无网格法求解断裂力学参数

结合无网格法(element free galerkin,EFG)和单位分解思想的特点,在不连续位移模式中引入跳跃函数和渐进位移场函数对无网格法进行改进,建立不连续近似函数的离散方程,求解裂尖附近的场变量,研究了改进无网格中参数选取对I型裂纹应力强度因子的影响,验证了改进无网格法的可靠性和精确性。     

用分区混合有限元法计算拱坝的水平裂纹

本文用分区混合有限元法分析拱坝的水平裂纹。特点是在裂纹端部采用应力型奇异单元,其余部份采用位移型单元,用分区混合原理建立以裂纹强度因子及各结点位移为未知量的线性数方程组。     

应用数字散斑相关技术进行薄膜材料断裂问题研究

将数字散斑相关测量方法应用于薄膜材料断裂问题研究,测量了薄膜材料的常规力学性能参数及裂纹尖端区域位移场。通过裂纹尖端区域位移场确定了应力强度因子(SIF),从而在技术上解决了薄膜材料断裂力学性能测试的困难、工作表明,此方法可有效地应用于薄膜等小尺寸材料的实验应力分析及断裂行为。     

复合型裂纹应力强度因子的有限元计算

介绍一种计算三维复合型裂纹应力强度因子的外推法,由于裂纹尖端的奇异性,该法采用退化的1/4节点奇异单元,通过近裂尖的几个节点进行应力强度因子的求解,然后根据这些应力强度因子拟合成直线,求得裂纹尖端的应力强度因子。     

双材料悬臂梁孔边界面裂纹应力强度因子计算

采用有限元方法求解了在压缩载荷作用下双材料悬臂梁孔边界面裂纹问题．在界面裂纹尖端的周围,使用了由8节点二维等参单元退化而产生的四分之一节点奇异单元来模拟裂尖应力的奇异性．在有限元分析中,考虑了裂纹面的接触作用．应用最小二乘法计算了Ⅱ型应力强度因子．数值结果表明：孔的尺寸对Ⅱ型应力强度因子和裂纹面接触压力有很大的影响;随着摩擦系数的增大,Ⅱ型应力强度因子减少．忽略裂纹面的摩擦作用,Ⅱ型应力强度因子可能被高估．     

自由面压力作用下横观各向同性地基多裂纹分析

针对自由面均布压力作用下横观各向同性地基中的水平矩形裂纹问题,发展了基于横观各向同性双材料基本解的一种数值方法,该方法不需要离散自由面边界。采用基于横观各向同性双材料基本解的弹性场数值方法获得表面外部圆形荷载作用下地基内的附加应力场,应用断裂力学应力场叠加原理,得到裂纹面上的面力,进而采用横观各向同性双材料对偶边界元方法得到相应的裂纹面间断位移和裂尖应力强度因子。计算结果表明:自由面均布压力作用下横观各向同性地基中的水平矩形裂纹为Ⅱ型和Ⅲ型的混合裂纹。对于处在不同大小附加应力场位置的两条水平矩形裂纹,其裂纹间的相互作用除与两裂纹间距离有关外,还与裂纹位置处附加应力场大小有关,其相互作用对处在附加应力较大位置裂纹的裂尖应力强度因子的影响更大。     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子影响的数值研究

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ⅰ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧r_0的Ⅰ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制K_Ⅰ-r_0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹(r_0=0)即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据。     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。本文采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ｉ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧 的Ｉ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制KⅠ-r0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹（r0=0）即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据     

金瓷修复体双材料界面断裂强度有限元分析

建立金瓷修复体双材料界面裂纹扩展的有限元计算模型．首先利用有限元计算得到平面应力条件下裂纹尖端位移场，求出裂尖附近复应力强度因子主导区域内对应点的相对位移，再辅以传统计算方法得到衡量双材料抵抗断裂能力的复应力强度因子K，并利用双材料界面断裂有关理论和基本公式，求得相关的断裂力学参量，对计算结果进行了实验验证．分析表明，金瓷层厚比对金瓷裂纹开裂具有很大的影响，为进一步分析和研究金瓷修复体断裂行为提供了研究方法。     

扩展无网格法分析功能梯度材料断裂问题

提出一种扩展无网格法模拟二维功能梯度材料I、II型复合断裂问题.基于单位分解思想,在EFGM近似函数中分别添加阶跃函数和奇异函数,依次表征不连续位移场和裂尖奇异应力场.结合一种不需要求解梯度材料参数的互作用积分的域形式计算了复合型应力强度因子.两个功能梯度板的数值算例验证了单位分解扩展无网格法的可行性和有效性.     

矩形板中心裂纹有限元数值分析

为了计算构件裂纹断裂参量应力强度因子,利用有限元方法对矩形板中心裂纹断裂参量应力强度因子的计算进行了研究.在建立有限元模型时对于裂纹尖端的单元,采用节点-单元的方式生成二次奇异单元.同时对矩形板中心裂纹的应力强度因子的计算公式进行了修正,得到了简便的公式.为计算类似的裂纹断裂参量提供了参考和借鉴.     

子域边界元法在双材料界面裂纹问题中的应用

采用子域边界元法对双材料界面边缘裂纹进行了研究，通过对两种材料分别沿材料边界进行单元划分，并利用在结合面上的两种材料的面力和位移的关系，得到边界上的所有未知分量，进而得到裂尖附近的位移场和应力场。应用外推法得到应力强度因子及裂尖周围的应力三维度。     

界面裂纹问题中M积分与功共轭积分的关系

给出了无限大体界面裂纹的特征展开式。该特征展开式表征了裂尖的应力振荡奇性，并满足裂面应力自由条件和界面上的应力位移连续条件。将Betti互等定理应用到界面裂纹问题中得到了新的路径无关积分，证明了M积分和Bueckner功共轭积分之间的关系。这个关系不受界面裂纹尖端应力振荡奇性的影响。对给定的辅助位移应力场，给定了相应的M积分与应力强度因子的关系。     

广义T应力对裂纹应力强度因子的影响

裂纹尖端的奇异应力场可以表达为Williams级数展开的形式,其中常数项(即T应力项)和非奇异项对裂纹尖端的应力应变场有着很大的影响,这些影响反过来作用于裂纹应力强度因子的计算.将T应力项和非奇异项合称为广义T应力,提出一种用特征分析法和边界元法配合求解广义T应力的新思路,可以根据需要任意选取广义T应力的项数,进而研究广义T应力对应力强度因子计算的影响.结果表明,考虑广义T应力项的应力强度因子计算结果与实验结果更加接近.     

平板断裂问题的多尺度扩展有限元法

采用渐进弯曲奇异函数和跨过裂纹面的不连续函数,加强常规的位移逼近空间,从而使计算网格独立于裂纹,建立了贯穿裂纹Reissner-Mindlin板的多尺度扩展有限元法。在裂纹附近区域采用小尺度网格,其他区域采用大尺度网格。在计算代价不大的情况下,考虑大型结构中小裂纹的存在或者提高裂纹附近的精度。所有尺度单元都采用四结点四边形板单元,四边形任意结点板单元连接不同尺度单元。用互作用积分法计算裂尖应力强度因子,算例分析检验了本文方法的精度和有效性。     

正交异性双材料反平面界面裂纹分析

研究了正交异性双材料反平面界面裂纹问题。采用复合材料断裂复变方法,构造了特殊应力函数,通过求解一类偏微分方程组边界问题,推导出界面裂纹尖端附近的应力场、位移场及应力强度因子的表达式,确定了裂纹尖端应力场的奇异性,结果现实裂尖附近应力具有r^-1/2的奇异性,但没有振荡性。