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。     

Ⅲ型应力强度因子分析的Williams单元

基于反平面断裂是工程结构的一类重要断裂类型,利用常规单元或奇异单元分析Ⅲ型裂尖应力强度因子(简记为SIF)时存在诸多困难,首先建立Ⅲ型裂纹裂尖奇异区单元总体位移场的Williams级数表达式,利用普通有限元形函数建立奇异域子单元的局部位移场,然后根据总体场控制局部场的原则,建立裂尖奇异域分析的Williams单元,以直接确定Ⅲ型裂纹裂尖的SIF。在此基础上,研究Williams单元的径向离散因子、离散数和级数项这3个重要参数以及裂纹长度对裂尖SIF的影响,并给出这3个重要参数的建议值。研究结果表明:对于Ⅲ型裂纹应力强度因子,Williams单元具有很高的计算精度和效率。     

机械载荷作用下三维功能梯度板的断裂分析

为了深入理解功能梯度材料断裂失效问题,利用有限元方法获得了三维功能梯度材料裂纹尖端的应力强度因子,研究了功能梯度材料模量比对应力强度因子的影响,尤其是考察了不同材料属性分布形式下功能梯度材料裂纹尖端的应力强度因子.计算表明:当裂纹靠近自由表面时裂纹尖端应力强度因子表现出复杂特性;材料模量比和材料属性分布形式对应力强度因子的影响显著.     

功能梯度材料V型缺口根部裂纹场强特性分析

为研究功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端附近的应力场强特性,讨论了指数型梯度材料的裂纹场强特点.以双边V型缺口试件为研究对象,建立试件的有限元分析模型.基于分层法分析静态载荷和阶跃冲击载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端的应力场强.研究结果表明:静载荷下,缺口根部裂纹前沿中面裂尖等效应力、位移及应力强度因子随着梯度参数β的增大而增大;应力强度因子K随张开角α的增大而减小,且在0°~60°之间减小缓慢,而在60°~90°之间减小程度明显,而在大于90°时随张开角α迅速减小.在冲击阶跃载荷下随着梯度参数β的增大,其动态应力强度因子值减小.     

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.     

功能梯度材料板断裂分析

为深入理解功能梯度材料的断裂行为,研究了机械载荷下任意机械属性功能梯度材料板裂纹尖端特性,根据叠加方法,把应力场转化为裂纹表面载荷,采用基于非均匀单元的有限元方法计算并分析了机械载荷下功能梯度板裂纹尖端特性,针对含有中心裂纹功能梯度材料板,考察了应力强度因子的变化规律.研究结果表明,功能梯度材料结构的几何参数及材料属性对裂纹尖端无量纲应力强度因子的变化规律具有显著影响.     

含裂纹功能梯度板能量释放率的ABAQUS用户子程序开发

为求解含裂纹功能梯度板的动态能量释放率,提出了基于非均匀有限元法的虚拟裂纹闭合法.基于有限元软件ABAQUS平台,开发了动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元,编写了用户自定义子程序UMAT和UEL,求解了动态载荷作用下的含裂纹功能梯度板能量释放率分量.对不同形状因子下的中心和倾斜裂纹功能梯度板的动态能量释放率分量进行了求解,并转化为动态应力强度因子,与差分法作比较.数值算例结果表明,动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元具有精度高、简捷方便、裂尖无需使用奇异元或特殊单元和子程序通用性强等优点,为工程师求解动态断裂参数提供了新途径.     

含裂纹的功能梯度压电压磁条粘结问题的奇异积分方程方法

利用奇异积分方程方法研究了一个含裂纹的功能梯度压电压磁条与半无限大功能梯度压电压磁材料粘结在非渗透边界条件下的Ⅲ型裂纹问题.首先通过积分变换得到问题的形式解,然后利用边界条件通过积分变换与留数定理得到了一组奇异积分方程,最后用Gauss-Chebyshev方法进行数值求解,讨论了材料参数、材料非均匀参数以及裂纹几何形状等对裂纹尖端应力强度因子的影响.结果表明,压电压磁复合材料中反平面问题的应力奇异形式与一般弹性材料中反平面问题的应力奇异形式相同,但材料梯度参数对功能梯度压电压磁复合材料中的应力强度因子和电位移强度因子有很大影响.     

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．     

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     

拉伸圆孔板孔边裂纹应力强度因子解析解

裂纹尖端应力强度因子是判断裂纹扩展和结构失效的重要标准,探究拉伸荷载下圆孔与裂纹相互作用的裂纹尖端应力强度因子对材料断裂准则和残余强度分析具有重要意义。基于叠加原理和弹性力学初始解,采用Westergaard应力函数求得单轴拉伸圆孔板孔边裂纹应力强度因子的积分方程,使用切比雪夫多项式得到积分方程的近似解,运用Exponential函数对近似解修正得到裂纹尖端应力强度因子修正解;运用Abaqus对同一问题进行模拟分析并与修正解结果进行对比;分析了裂纹尺寸、圆孔半径、裂纹位置角以及裂纹倾角对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明：修正解与Abaqus模拟解基本吻合;应力强度因子随裂纹尺寸和圆孔半径增大而增大,随裂纹位置角和裂纹倾角增大而减小。     

无限大功能梯度压电材料中反平面 Yoffe型运动裂纹

假设裂纹面上的边界条件为电渗透型的,从而导出了材料系数在横观各向同性平面内梯度分布的压电体的状态方程;利用Fourier变换给出了无限大压电体中位移、应力、电势、电位移的解析表达式;并求得了裂纹尖端动应力强度因子、电位移强度因子及电场强度因子,分析了不同的非均匀材料系数、几何尺寸及裂纹运动速度对它们的影响.     

保角映射方法在各向异性板断裂分析中的应用

采用各向异性体平面弹性理论中的复势方法,引用适当的保角变换,研究各向异性板中穿透性直线裂纹的平面弹性问题。借助应力边界条件推出应力函数的表达式,得到Ⅰ型裂纹尖端附近的应力强度因子、应力场及位移场的解析解.     

功能梯度涂层-均匀基底周期界面裂纹动态断裂分析

研究了功能梯度涂层-均匀基底周期界面裂纹动态断裂问题。采用Fourier积分变换技术,首先将混合边值问题转化为一组三重级数方程;然后利用边界条件将混合边值问题转化为求解一个带Hilbert核的奇异积分方程;并对积分方程数值求解,获得了周期裂纹的尖端应力场。结果显示了裂纹间距、几何参数和功能梯度非均匀性对应力强度因子的影响。所获得的结果对功能梯度材料的设计及应用有参考价值。     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

正交各向异性功能梯度材料中的运动裂纹

针对无限大正交各向异性功能梯度材料中Yoffe型运动裂纹受反平面剪切载荷的动力学问题,假设材料两个方向剪切模量均采用双参数任意次幂函数模型,采用积分变换-对偶积分方程方法,求得裂纹尖端动态应力场和位移场以及动应力强度因子.借助Matlab软件研究裂纹运动速度和梯度参数以及材料不均匀系数对动应力强度因子的影响.结果显示裂纹尖端应力同均匀材料一样具有奇异性;无量纲动应力强度因子随裂纹运动速度的增大而减小,随梯度参数的增大而增大.     

半无限大功能梯度压电材料中反平面Yoffe型运动裂纹

基于三维弹性理论和压电理论导出了材料系数在横观各向同性平面内梯度分布的压电体状态方程,进而对材料系数按指数函数规律分布的半无限大压电体中的反平面Yoffe型运动裂纹问题进行了求解.利用Fourier变换给出了半无限大压电体中位移、应力、电势、电位移的解析表达式,并求得了裂纹尖端动应力强度因子、电位移强度因子,分析了不同的非均匀材料系数、几何尺寸及裂纹运动速度对它们的影响.     

功能梯度材料中裂纹问题的边界元分析

采用基于边界元方法的广义Kelvin解对功能梯度材料中的裂纹问题进行了研究，主要在对裂纹的评价中采用了多域法和八节点面力奇异边界单元，并采用层离散化方法用来近似功能梯度材料，计算出了不同条件下功能梯度材料中币形裂纹的应力强度因子。     

功能梯度/压电材料中裂纹对SH波的散射问题

讨论了具有裂纹的无限长功能梯度/压电材料层合的SH波散射问题。在电渗透型边界条件情况下,将考虑的问题通过Fourier积分变换把混合边值问题的求解转化为对偶积分方程,利用Copson方法将得到的对偶积分方程转化为Fredholm积分方程再进行数值求解,得到了裂纹尖端的应力强度因子、电位移强度因子。最后讨论了材料梯度参数、入射角等因素对标准动应力强度因子的影响。