热冲击应力强度因子过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关。由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析,计算过程大大简化,计算效率得到极大的提高。本文将热权函数与有限元法直接耦合,给出了基于刚度阵导数法和Gauss-Chebyshev积分的热权函数计算格式。实例计算表明,本文给出的热权函数计算格式具有满意的计算精度。     

求解平面和轴对称热冲击问题的热权函数有限元法

根据三维通用权函数法的普遍表达式,给出了轴对称问题和平面问题热权函数法的基本公式,并利用刚度阵导数法,将热权函数法与有限元法直接耦合,给出了二维问题的热权函数有限元法计算格式,实例计算表明,该文给出的计算方法具有极高的计算效率和满意的工程应用精度。     

三维热权函数法和多虚拟裂纹扩展技术

热权函数法直接利用温度场与热权函数的乘积的积分来求应力强度因子(SIF)的过渡过程，它可以免除对每一时刻进行热弹性力学有限元或边界元应力分析，计算效率大大提高。本文给出了三维热权函数法的基本方程，并提出了求解三维热权函数法基本方程的多虚拟裂纹扩展法(MVCE法)。在MVCE法中，可以引入无穷多个虚拟裂纹扩展模式；虚拟裂纹扩展模式与应力强度因子的插值直接相联系，所得到的方程组的系数矩阵是一个三对角矩阵，具有良好的计算性能。它对于裂纹前缘SIF分布急剧变化的情况，有良好的数值模拟能力。实例计算表明，MVCE法具有权高的计算效率，并具有很高的计算精度。     

应用通用权函数法计算热机载荷作用下三维界面裂纹的应力强度因子

热机载荷共同作用下双材料、复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹,传统的求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹应力强度因子的数值方法如有限元、边界元法计算量大,计算效率低。由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,求解应力强度因子时避免了反复的应力分析,计算效率大大提高, 通用权函数法非常适合计算复杂冲击载荷下应力强度因子分布的过渡过程。根据Betti互易原理,本文推导出了三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面I型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式. 通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度。     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

热机载荷作用下三维界面裂纹问题的权函数法分析

热机载荷共同作用下双材料和复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹.由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,因此在求解复杂冲击载荷下界面裂纹应力强度因子随时间的变化过程时,避免了反复的应力分析,计算效率得到提高.根据Betti互易原理,论文推导出三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式.通过与实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度.     

界面裂纹问题中的权函数方法

本文将Ｐａｒｉｓ等确定均匀材料中裂纹尖端应力强度因子的权函数方法推广应用到界面裂纹问题，给出了界面裂纹尖端附近或无限大体半无限界面裂纹问题的权函数的显式表达式。利用此权函数表达式可以很简便地求解界面裂纹尖端附近一些外来作用引起的应力强度因子，比如任意分布力、相变应变、位错和热等。作为一个算例，本文计算了界面一侧一个刃型位错引起的应力强度因子。     

焊接节点半椭圆表面裂纹应力强度因子的权函数计算

本文采用一种改进的权函数法来计算焊接节点半椭圆表面裂纹应力强度因子ＫＩ值，并给出了相应的数值处理方法，就Ｔ型板节点进行了数值验算。     

热结构稳态响应的耦合灵敏度分析方法

研究结构稳态热变形和热应力的灵敏度分析方法，给出了直接法和伴随法两种算法。考虑了温度场的耦合作用，在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数，在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数。对尺寸和形状两类设计变量的灵敏度分析算例，验证了本文方法的精度。伴随法在应用程序中的实现，为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法。     

热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计

研究结构瞬态热变形和热应力的灵敏度分析方法及其优化设计,灵敏度计算给出了直接法和伴随法两种算法.考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数.数值算例验证了该方法的精度.伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法.     

求解三维裂纹前缘SIF分布时间历程的通用权函数法和有限变分法

将三维热权函数法扩展为适用于表面力、体积力和温度载荷的通用权函数法(UWF).推导出以变分型积分方程表达的UWF法基本方程,从变分的角度,将求解三维热权函数法基本方程的多虚拟裂纹扩展法(MVCE)改造为可以适用于一般的变分型积分方程的一类新型数值方法--有限变分法(FVM).在FVM中可以引入无穷多种线性无关的局部变分模式,可以根据计算要求在求解域中插入任意多个计算节点,单一型裂纹问题FVM所得到的最终方程组的系数矩阵总是一个对称的窄带矩阵,而且对角元总是大数,具有良好的数值计算性能.FVM对于SIF沿裂纹前缘急剧变化的复杂情况具有较好的数值模拟能力和较高的计算精度,利用自身一致性,可以求得三维裂纹前缘SIF的高精度解.     

Axisymmetric viscoplastic deformation by the boundary element method

This paper presents a boundary element formulation and numerical implementation of the problem of small axisymmetric deformation of viscoplastic bodies. While the extension from planar to axisymmetric problems can be carried out fairly simply for the finite element method (FEM), this is far from true for the boundary element method (BEM). The primary reason for this fact is that the axisymmetric kernels in the integral equations of the BEM contain elliptic functions which cannot be integrated analytically even over boundary elements and internal cells of simple shape. Thus, special methods have to be developed for the efficient and accurate numerical integration of these singular and sensitive kernels over discrete elements. The accurate determination of stress rates by differentiation of the displacement rates presents another formidable challenge.A successful numerical implementation of the boundary element method with elementwise (called the Mixed approach) or pointwise (called the pure BEM or BEM approach) determination of stress rates has been carried out. A computer program has been developed for the solution of general axisymmetric viscoplasticity problems. Comparisons of numerical results from the BEM and FEM, for several illustrative problems, are presented and discussed in the paper. It is possible to get direct solutions for the simpler class of problems for cylinders of uniform cross-section, and these solutions are also compared with the BEM and FEM results for such cases.     

横观各向同性轴对称问题的非协调元和杂交应力元计算

基于变分原理得出各向同性轴对称问题下的非协调元和杂交应力元方法仍然适用于分析横观各向同性轴对称问题的结论，同时对应用于各向同性问题的罚平衡优化方法进行了修改，使之能够应用于横观各向同性问题的分析。文中给出了分析算例。并对各种单元结果进行了比较，计算结果表明非协调元和杂交应力元方法不但适用于横观各向同性轴对称问题分析，而且将提高其数值解的精度，改善单元内部应力分布。     

实心圆柱外表面受热冲击作用的轴对称平面应变热弹性动力学解

利用分离变量法，成功地给出了各向同性实心圆柱外表面受热冲击作用的轴对称平面应变热弹性动力学问题的解析解．运用此方法，可以避免积分变换且易于实现数值计算．在数值结果中，与拟静态问题和均匀热冲击情形进行了比较，表明惯性项对中心处应力响应影响不大，而热传导的过程能大大减低中心处的热应力．     

Study on calculation methods for acoustic radiation of axisymmetric structures in finite water depth

In this paper, a kind of FEM–WSM (Finite Element Method–Wave​ Superposition Method) is used to calculate the acoustic radiation of axisymmetric structures in finite water depth. FEM is used to solve the dry modes of axisymmetric structures, and WSM is applied along with the dry mode method to consider fluid–structure interaction effects and calculate the acoustic radiated field. This method combines the advantages of FEM and WSM. On one hand, it is suitable for complex or large axisymmetric structures on the one hand. On the other hand, it has higher computational efficiency than the FEM, and the computational domain size for the water is not limited. As long as the Green’s function is tailored for the boundary condition, the acoustic radiated field of axisymmetric structures in more complex ocean acoustic environments can be calculated by using this method. Besides, a least-square method is used to reduce the distortion resulting from computational errors of the modal estimates. The influence of the number of source and field points and the finite element mesh density on the calculation accuracy are discussed, eliciting some disciplinary conclusions. Using a spherical shell and a capsule shell as models, the results from the present approach, a semi-analytical method, and the crude FEM are compared to verify the correctness and efficiency. Based on numerical examples, the influence of the sea surface and the seafloor on the acoustic radiated field of structures in finite water depth is also analyzed.     

Thermal weight functions for bi-material interface crack system using energy principles

In this study, Betti’s reciprocal theorem and the principle of superposition are used to obtain weight functions in a two-dimensional bi-material interface crack system for any loading, in general and thermal loading, in particular. It is shown that the general expression of weight functions for bi-materials interface crack problems is of the same type as that found in a homogeneous mixed mode loading case. Furthermore, a computational approach has been developed for calculation of thermal stress intensity factors for bi-material interface cracks subjected to thermal loading under quasi-static uncoupled thermo-elasticity assumption. The thermal weight function (TWF) expression and computational scheme have been validated using three examples given in the available literature.     

压电材料轴对称有限元分析

给出了横观各向同性压电材料轴对称问题有限元法列式,叙述了压电材料有限元法分析中的一些特殊处理步骤,包括无量纲化和特征值问题计算中对电势自由度的凝聚。对压电材料轴对称问题的一些经典静力问题进行有限元计算,同时对压电圆板的轴对称自由振动进行了计算,和解析结果作了比较,二者符合良好。