一种新的计算各向异性材料裂纹尖端应力强度因子杂交元法

利用有限元特征分析法研究了平面各向异性材料裂纹端部的奇性应力指数以及应力场和位移场的角分布函数,以此构造了一个新的裂纹尖端单元。文中利用该单元建立了研究裂纹尖端奇性场的杂交应力模型,并结合Hellinger-Reissner变分原理导出应力杂交元方程,建立了求解平面各向异性材料裂纹尖端问题的杂交元计算模型。与四节点单元相结合,由此提出了一种新的求解应力强度因子的杂交元法。最后给出了在平面应力和平面应变下求解裂纹尖端奇性场的算例。算例表明,本文所述方法不仅精度高,而且适应性强。     

周期分布多边形夹杂奇异性应力干涉问题的研究

采用一种新型的杂交元模型和一种单胞模型来解决周期分布多边形夹杂角部的奇异性应力相互干涉的问题。新型杂交元模型是基于广义Hellinger-Reissner变分原理建立的,其中奇异性应力场分量和位移场分量是采用有限元特征分析法的数值特征解得到的。使用当前的新型杂交元模型,只需要在夹杂角部邻域的周界上划分一维单元,避免了像传统有限元模型那样需要划分高密度二维单元。文中给出了代表奇异性应力场强度的夹杂角部广义应力强度因子数值解,并考虑材料属性、夹杂尺寸和夹杂位置关系的影响。算例中,考虑了夹杂和基体完全接合的情况,并给出了考核例。结果表明:当前模型能得到高精度数值解,且收敛性好;与传统有限元法和积分方程方法相比,该模型更具有通用性,为非均质材料的细观力学分析打下了基础。     

各向异性两相材料尖劈奇性场的非协调元分析

提出了一个基于位移的、分析柱状各向异性两相材料尖劈端部邻域的奇性位移场和应力场问题的非协调元特征分析法. 该方法从柱状扇区的散度定理出发，将柱状扇区控制方程的弱式化为一个与虚功原理相同形式的方程，采用一种新的非协调元技术把所导出的``虚功原理'转化为标准一阶特征方程的求解问题. 非协调元法中，尖劈端部邻域的位移场假定没有采用奇异变换技术，有限元的单元形式是一维的. 将柱状各向异性两相材料尖劈视为``广义平面应变'问题，位移场与坐标z无关，只关注界面端的幂奇异性而不考虑对数奇异性. 运用该方法给出了柱状各向异性两相材料尖劈端部奇性应力指数、奇性位移角分布和应力角分布的算例. 所有的计算结果表明，该方法使用的单元少而且精度较高.     

基于新型裂尖杂交元的压电材料断裂力学研究

提出了一种裂尖邻域杂交元模型，将其与标准杂交应力元结合来求解压电材料裂纹尖 端的奇性电弹场和断裂参数的数值解．裂纹尖端杂交元的建立步骤为：1) 利用高次内插有限元特征法求解特征问题，得到反映裂尖奇异性电弹场状况的特 征值和特征角分布函数；2) 利用广义Hellinger-Reissner变分泛函以及特征问题的解来建立裂尖邻域杂交元模型．该 方法求解电弹场时，摒弃了传统有限元方法中裂尖奇异性场需要借助解析解的做法，也避免 了单纯有限元方法中需要在裂尖端部进行高密度单元划分．采用PZT5板中心裂纹问题 作为考核例，数值结果显示了良好的精确性．作为进一步应用，求解了含中心界面裂纹 的PZT4-PZT5两相压电材料的应力强度因子和电位移强度因子．所有的算例都考虑 了3种裂纹面电边界条件．     

压电材料V型切口端部电弹性场研究

通过广义Hellinger-Reissner变分原理导出了一个环绕V型切口端部邻域的超级奇异单元,并将其与全域压电杂交元结合,建立了一种新型数值求解压电材料切口端部奇异电弹性场的杂交元模型.为了验证该模型的有效性,以含V型切口的三点弯曲试件为例,首先用杂交元数值模型计算了切口端部的广义应力强度因子及其延长向上的应变分布,然后与用云纹干涉实验法测定的相应实验结果相比较,比较结果表明:两者吻合良好.     

粘弹性双材料界面裂缝的缝端位移场及动态断裂分析

本文研究的是经常在实际工程中遇到的粘弹性双材料界面裂缝的动断裂问题.由于粘弹性自身的复杂性,使得粘弹性双材料界面裂缝缝端应力的奇异性较弹性呈现出更为复杂的形式,从而使动断裂问题的分析变得更为困难.根据此情况,本文采用复阻尼理论反映粘弹性体的运动规律,用复势理论和平面问题复变函数解答的科洛索夫公式推导了粘弹性双材料界面裂缝缝端位移场及动态应力强度因子的求解公式,利用特解边界元进行了粘弹性双域耦合动力响应计算,按求得的公式用位移外推法计算了单边裂纹板在动荷载作用下的动态应力强度因子.分析了粘性,弹模比和缝长对动态应力强度因子的影响,得出了一些有益的结论.     

一种确定结合材料界面端应力强度因子的数值方法

基于弹性力平面问题的基本方程，给出了结合材料界面端的应力奇异性特征方程以及位移场和奇异应力场。提出了一种确定结合材料界面端应力强度因子的数值外插方法。对界面端区域进行了有限元网格单元划分。经过具体实例检验进一步确定了求解应力强度因子的最佳方向，该数值外插法的计算结果精度符合工程应用的要求，为工程材料强度的评价提供了有效的计算途径。     

轴对称界面端的扭转问题

基于弹性力学轴对称扭转问题的通解,研究了具有任意几何形状的双材料轴对称界面端,给出了界面端的应力奇异性及其附近的位移场和奇应力场,定义了扭转问题的Ｄｕｎｄｕｒｓ双材料参数。研究结果表明,应力奇异性只与界面端的结合角和扭转问题的Ｄｕｎｄｕｒｓ双材料参数有关,而与界面的角度以及界面端与对称轴之间的距离无关,在任何情况下,特征值均为实数,不会产生振荡应力奇异性。     

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视。界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性。因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的。本文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响。运用弹性力学中的 Goursat 公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数。通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子。计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定。分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考。     

复合材料中矩形夹杂角端部力学行为分析

提出了一种分析矩形夹杂角端部奇异应力场的新型杂交有限元方法,该方法在分析矩形夹杂角端部奇异应力场时,需要在夹杂端部构造一个超级单元。超级单元的刚度矩阵可以通过夹杂端部特征问题数值解建立。我们用这种方法计算了单向载荷作用下无限大均质板中单个矩形夹杂角端部奇异应力场,并与现有的数值解进行了比较。比较结果表明:本文提出的方法是可行的、有效的,而且数值结果精度高。为说明本文方法适用范围更广,文章最后讨论了各向异性弹性材料和横观各向同性压电材料中矩形夹杂角端部电弹性场行为。