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。     

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.     

裂纹扩展片技术在弧形面上半椭圆表面裂纹长度测试中的应用

简述了裂纹扩展片技术的研究现状和测试原理,标定出应用在单臂悬梁试样弧形面上的单片和串联双片10mm裂纹扩展片的裂纹长度增量与电压增量关系方程。通过扩展片与试样裂纹扩展同步性研究,证明了裂纹扩展片技术应用于弧形面上半椭圆表面裂纹长度测试的可行性。     

用裂纹扩展片测量SFRC的静,动态裂纹扩展

本文用箔式裂纹扩展片测试，研究了钢纤维增强砼三点弯曲切口梁试件在蠕变断裂和动态断裂时的裂纹扩展，分别得到了裂纹扩展量与时间，裂纹扩展量与加载点位移及动态裂纹扩展速度与应变率的关系，根据实验结果分析了ＳＦＲＣ的静，动态裂纹展规律。     

热喷涂零件界面裂纹扩展行为影响因素研究

热喷涂技术在提高构件寿命等方面得到了广泛应用,但界面裂纹的存在对零件寿命的影响尤其明显。本工作利用有限元法研究了残余应力、涂层厚度以及初始裂纹长度等因素对界面裂纹扩展的影响。研究结果表明:残余压应力的增加会导致临界载荷的降低,促使裂纹尖端应力相角增大,更易萌生界面裂纹;而残余拉应力的增加会导致临界载荷的升高,促使裂纹尖端应力相角降低,更易萌生垂直于界面的裂纹。此外,厚涂层易产生平行于界面的裂纹,以剪切失效为主导;薄涂层易产生垂直于界面的裂纹,以拉伸失效为主导。初始裂纹长度越长越易出现涂层与基体的剥离,导致涂层的失效。通过三点弯曲实验对不同初始长度的裂纹进行验证,实验结果与有限元模拟结果相近,验证了有限元模拟的正确性,为精确控制热喷涂零件界面的裂纹扩展提供了科学依据和理论基础。     

疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金的疲劳裂纹扩展特征

疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一.论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响.总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型,并讨论了"塑性钝化模型"和"裂纹闭合效应"与实际观察结果存在的矛盾.最后,对钛合金疲劳裂纹扩展研究的内容和研究结果进行了概述.     

混凝土裂纹扩展过程模拟的扩展有限元法研究

扩展有限元法(theextendedFiniteElementMethod,XFEM)为数值模拟结构裂纹扩展过程提供了一条有效途径。该文介绍了用扩展有限元法对混凝土结构裂纹扩展过程进行数值模拟的实现方法。采用虚拟裂缝模型模拟混凝土非线性断裂行为,针对二维四边形单元推导了详细的有限元列式。采用3种方案对非线性方程系统进行求解,分析了其求解思路并概括了其求解步骤。通过对带初始边缘裂纹的单向拉伸混凝土板的数值模拟,对3种求解方案的计算结果进行了分析和讨论。     

Ti5Al4Mo4Cr2Sn2ZrNb钛合金在三种热处理状态下的蠕变裂纹扩展

选用三种不同热处理制度，借助于直流电位法对Ｔｉ５Ａｌ４Ｍｏ４Ｃｒ２Ｓｎ２ＺｒＮｂ钛合金进行抗蠕变裂纹扩展性能的研究。结果表明，二次固溶＋时效处理者最佳，合金抗蠕变裂纹扩展的能力最强，抗蠕变断裂应力强度因子Ｋ也最高，蠕变断裂寿命最长，β处理的合金性能最差，退炎处理者介于两者之间。     

模拟三维裂纹问题的自适应多尺度扩展有限元法

为了在大型结构分析中考虑小裂纹或以小的代价提高裂纹附近求解精度,该文建立了分析三维裂纹问题的自适应多尺度扩展有限元法。基于恢复法评估三维扩展有限元后验误差,大于给定误差值的单元进行细化。所有尺度单元采用八结点六面体单元,采用六面体任意结点单元连接不同尺度单元。采用互作用积分法计算三维应力强度因子。三维I 型裂纹和I-II 复合型裂纹算例分析表明了该方法的正确性和有效性。     

发展基于CB壳单元的扩展有限元模拟三维任意扩展裂纹

该文提出了一种新的基于连续体壳单元的扩展有限元格式,以用于对曲面上任意形状裂纹的扩展问题进行模拟。扩充形函数的构造和应力强度因子的计算都是基于三维实体单元进行,因此可以模拟复杂的三维断裂情况,壳体厚度的变化也可以得到考虑。三维应力强度因子的计算公式被引入到这种方法中。为模拟裂纹扩展,三维最大能量释放率准则被用作裂纹扩展准则。计算结果显示了曲面上的裂纹扩展路径可以与网格无关,并且由于在裂纹尖端的单元设置了具有奇异性的形函数,裂尖应力场被精确捕捉,从而证明了这种方法的优越性。     

裂尖塑性区内方向应变能裂纹扩展归一化准则

裂纹的起始扩展总是沿着裂纹的半径方向,在塑性区内半径方向的应变能能反映出材料的抵抗断裂的能力。对同一材料,不管它处于哪一种裂纹形式,它的断裂韧性参数是一个常量。本文引入了裂纹顶端临界扩展本征区。认为裂纹顶端存在一个决定裂纹扩展本征区,裂纹扩展是因为本征区的应力应变状态或损伤状态达到材料的断裂韧性才发生的。依此针对Ⅰ-Ⅱ...     

受压弯作用构件半椭圆表面裂纹的疲劳扩展分析

本文给出了半椭圆表面裂纹疲劳扩展的一种有限元仿真分析方法,并对潜艇锥柱结合壳焊趾处压弯联合交变载荷作用下的裂纹扩展进行了计算分析。该方法利用有限元分析计算裂纹前沿应力强度因子,采用Paris公式预测裂纹扩展速率及扩展量,对有限元网格随着裂纹的扩展进行自动重构,从而模拟分析裂纹的疲劳扩展过程。考察了两种初始尺寸半椭圆表面裂纹的情况,计算了裂纹尺寸、应力强度因子随裂纹扩展的变化历程。仿真计算结果表明,初始裂纹尺寸对于疲劳扩展的影响主要体现在初、中期的扩展上,对后期的扩展速率、裂纹形态影响不大;当考虑了焊接区应力集中效应后,扩展的速度提高,总的疲劳扩展寿命下降。本文方法和程序可用于其他较复杂构件表面裂纹的扩展分析。     

铁素体不锈钢的疲劳裂纹扩展

本文用线弹性断裂力学法研究了 AISI409与18Cr—Nb 铁素体不锈钢在 25～649℃ (77～1200°F) 空气环境下的疲劳裂纹扩展 (FCP) 行为。疲劳裂纹扩展速率 (da)/(dN) 满足 Paris 关系:(da)/(dN)=C(⊿k)~n。室温下应力比 (R) 对(da)/(dN)的影响在低⊿k下较为敏感。(da)/(dN)随温度的提高和加载频率的减小而增加,但对18Cr—Nb,475℃(885°F)下的(da)/(dN)却高于538℃(1000°F)下的(da)/(dN),这与含Cr量高于15％时的475℃脆性有关。文中还测定了室温与高温下的材料常数c与n值。并对疲劳裂纹扩展机理进行了探讨。     

三维模型柱状药包爆生裂纹扩展规律研究

利用有机玻璃材料,采用高速摄影和数值模拟方法研究不同位置起爆柱状药包爆生裂纹扩展和损伤破坏差异。研究结果表明,正反向起爆时炮孔周围均产生多条径向裂纹,爆生裂纹面经历了由"密集波纹状→光滑平坦→少量径向微裂隙→密集径向裂隙"逐步转变的过程。正向起爆时,径向裂纹优先产生,并逐渐向模型内部延伸,在炮孔底部产生较大的超深扩展现象。而反向起爆时,底部"圆锥形"裂纹面与炮孔径向裂纹同时产生,炮孔底部裂纹面消耗较多能量,其径向裂纹扩展速度较正向起爆时小,扩展时间也较短,但有利于岩石的抛掷。由模拟结果可知,柱状药包反向起爆比正向起爆爆破损伤区范围大,并且爆破损伤的均匀程度好。因此,在掏槽爆破中,为提高岩石的抛掷效果,应尽量采用反向起爆方式进行爆破;而在松动爆破中,为增加岩石中裂纹的扩展深度,应尽量采用正向起爆方式进行爆破。     

桥梁高性能钢HPS485W疲劳裂纹扩展速率试验研究

以国产桥梁用高性能钢HPS485W为研究对象,对7.5mm、12.5mm和19.5mm的HPS485W紧凑拉伸试样分别在应力比R=0.1、R=0.5和R=0.8的疲劳荷载下进行疲劳裂纹扩展速率(da/dN)试验,采用七点递增多项式的方法进行局部拟合求得试样的疲劳裂纹扩展速率。与传统桥梁用钢14MnNb相比,该文试验测得高性能钢HPS485W具有更优越的忍受疲劳裂纹扩展能力。试验结果表明：试样厚度是影响疲劳裂纹扩展速率的关键因素;对同一厚度的试样,疲劳裂纹扩展速率随着应力比R的增大而增大。此外,对19.5mm试样在荷载比R=0.1的情况下,进行工程门槛值的试验测定和理论门槛值的数值求解,分析求得19.5mm的HPS485W的理论门槛值为7.22MPa·m^1/2。该文试验得到的HPS485W疲劳裂纹扩展曲线,可用于高性能钢桥的抗疲劳、防断裂设计与寿命预测。     

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。     

蠕变裂纹启裂和扩展的局部损伤理论

根据局部损伤理论和相似原理，给出了蠕谱裂纹启列前的孕育上下限时间并推导了蠕变裂纹扩展率方程。在常载荷下用２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ钢作了蠕变裂纹扩展试验，高拘束度使早期局部损伤发展迅速，实验结果与孕育时间下限接近。稳态预测值由于忽略未开裂部分材质劣化而略氏于实验结果值。有限元模拟损伤演变过程。表明稳态裂纹扩展民实验结果吻合。     

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。     

轴承钢疲劳裂纹扩展速率的研究

研究了轴承钢碳化物及晶粒细化对轴承钢疲劳寿命的影响。结果表明;细化轴承钢中的碳化物可以使其疲劳裂纹扩展速率下降,而同时细化轴承钢中的碳化物和晶粒,会使其疲劳裂纹扩展速率下降更明显。