岩石断裂力学的扩展有限元法

针对岩石材料的断裂力学问题阐述扩展有限元法的单元位移模式的选择、确定平面裂纹空间位置的水平集法和特殊单元的数值积分方法。介绍最大周向应力裂纹扩展判据和计算应力强度因子的相互作用积分法,进而建立岩石断裂力学的扩展有限元法。建立Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的岩石断裂力学的扩展有限元计算模型,对I裂纹的应力强度因子和Ⅱ型裂纹的裂纹扩展路径进行扩展有限元法数值模拟计算。结果表明,建立的岩石断裂力学扩展有限元法可对岩石材料的断裂力学参数和裂纹扩展路径进行数值模拟分析,验证了数值计算结果的合理性,能有效地描述岩石断裂力学特性。     

基于分层线性离散模型的FGM板断裂力学分析

为对功能梯度材料(FGM)板进行断裂力学分析,提出了施加温度场建立FGM板分层线性离散模型的方法.采用该方法、梯度有限元法和常规有限元法对FGM板的应力场和位移场进行对比分析,结果表明该方法简便可行.在所提方法的基础上,采用扩展有限元法求解含裂纹FGM板的位移场,再利用位移外推法计算裂纹尖端的应力强度因子,通过上述方法对不同材料梯度参数、裂纹尺寸、裂纹倾斜角的FGM板裂纹尖端应力强度因子进行数值模拟.计算结果表明,合理地选择FGM板的梯度参数并控制裂纹尺寸能有效降低裂纹尖端应力强度因子.所提出的方法可推广应用于材料梯度分布为任意连续变化的FGM板断裂力学分析.     

平板表面裂纹应力强度因子和应力分布规律的确定

基于有限元法(FEM)和节点位移方法,研究了在中间裂纹与侧裂纹处裂纹尖端的应力强度因子和应力场.使用8节点四边形等参元和1/4节点退化单元,对网格密度和裂纹长度对计算精度的影响进行了研究.改善裂纹尖端周围子区域的节点密度,在保证结果精度的同时,可以节省计算时间.为了计算和分析裂纹尖端的应力强度因子、应力场与位移场,利用Matlab/Simulink编写了关于平板Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的代码,并比较了有限元方法与精确方法的计算结果.结果表明,所提出的方法有助于提高计算精度与收敛速度,且算法合理,可以提高仿真精度并指导工程设计.     

带裂纹厚壁圆筒应力强度因子的几种计算方法

确定应力强度因子是断裂力学的重要内容。该文在考虑裂纹尖端应力应变奇异性的前提下 ,通过有限元的位移法和应力法分别计算了承受高压厚壁筒裂纹尖端处的应力强度因子 ,并且利用边界配置法的结果比较这 2种方法的精度。同时 ,还研究应力强度因子随裂纹深度和厚壁筒尺寸的变化规律     

高铁制动盘不同分布热裂纹应力强度因子计算

为研究裂纹间的相互作用关系,应用扩展有限元法对高速列车制动盘进行热疲劳裂纹应力强度因子计算。采用有限元软件ABAQUS仿真计算得出制动盘在制动过程中的瞬态温度场及应力场,并将两组平行裂纹置于制动盘表面最高温度分布区域内,最后在线弹性断裂力学的框架下进行热疲劳裂纹应力强度因子计算。仿真结果表明:初速度为400 km/h的一次紧急制动模式下计算出制动盘峰值温度为638. 4℃,周向残余应力为375. 5 MPa。裂纹的径向与周向距离很小时,两裂纹尖端表现为屏蔽作用。随着其间距的增大屏蔽作用相应减弱。两条错位平行裂纹随着其径向距离的增加,尖端应力强度因子在小范围内会相互增强。     

压力容器表面裂纹应力强度因子的数值计算

压力容器失效常常是由于裂纹失稳扩展导致,断裂力学正是研究裂纹产生及其扩展规律的科学,在线弹性断裂力学中,应力强度因子又对裂纹是否会失稳扩展具有重要意义.因此,通过有限元软件ABAQUS建立表面半椭圆裂纹体几何模型、划分有限元网格,利用围线积分法计算得到裂纹端部区域的应力强度因子值.通过计算结果与经验公式计算结果比较,说明了有限元软件ABAQUS在计算表面半椭圆裂纹应力强度因子具有较高的精度与可靠性,从而为计算复杂构件上不规则裂纹应力强度因子提供了思路.     

拉剪倾倒型危岩失稳影响因素研究

运用断裂力学分析危岩中的倾倒变形破坏,基于岩石拉剪断裂试验,研究裂纹在载荷作用下起裂、扩展规律,探索断裂过程中裂纹的扩展行为,并探讨裂纹长度、宽度、倾角与荷载位置对危岩失稳模式与稳定性的影响。以重庆万州太白岩危岩为例,利用有限元软件ANSYS计算不同裂纹条件下裂纹尖端的应力状态,并讨论其与联合断裂应力强度因子的关系,模拟裂纹扩展的动态过程。结果表明,拉剪倾倒型危岩在受力破坏过程中,裂纹尖端出现拉应力集中,危岩的开裂从张拉破坏开始,下部出现压剪破坏,危岩稳定性的影响因子敏感性从大到小依次为:荷载位置、裂纹长度、裂纹倾角、裂纹宽度。     

基于子模型技术的叶轮轴孔三维裂纹应力强度因子有限元仿真

基于断裂力学理论和有限元数值分析方法,针对压气机叶轮由于铸造缺陷和疲劳引起的三维裂纹,应用子模型技术和ParaMesh网格随移技术,给出了计算压气机叶轮轴孔三维裂纹前沿应力强度因子的求解方法及途径,并对压气机叶轮轴孔三维裂纹的扩展方向和扩展速率进行了分析,基于压气机叶轮轴孔三维裂纹应力强度因子求解结果,指出叶轮轴孔三维裂纹前沿应力强度因子随裂纹半径的增加而增加,裂纹前沿轴向的应力强度因子大于径向的应力强度因子,裂纹在轴向的扩展速率大于径向的扩展速率。     

含裂纹压电材料的扩展无网格伽辽金法

为提高含裂纹压电材料结构分析的求解精度,基于压电材料断裂力学理论,在传统无网格伽辽金法近似函数中引入扩展项来描述裂纹处不连续位移场及电场,提出了含裂纹压电材料的扩展无网格伽辽金法.该方法能很好地模拟裂纹尖端奇异性,并且节点影响域的连续性不受裂纹线的影响,无须引入可视准则与衍射准则,易于编程实现.讨论了不同节点分布、不同裂纹长度对强度因子计算结果的影响,与解析解、常规无网格伽辽金法及有限元法的计算结果进行了比较,数值算例结果表明本方法正确可行且具有较高的精度.     

裂纹应力强度因子的有限元计算

基于解析法和数值法,对有限长平板中存在的中心穿透裂纹,分析其附近的位移场、应力场分布,得到计算裂纹尖端的应力强度因子的公式。通过对求得的应力强度因子值与经验值的比较,表明本文给出的计算应力强度因子的方法具有较好的精度。     

桥式起重机桥架疲劳裂纹扩展的数值分析

采用有限元方法,计算某桥式起重机桥架的最大主应力分布,通过应力状态判断桥架某处裂纹的主要断裂类型,并利用扩展有限元方法(XFEM),计算桥架在最大载荷和最小载荷两种状态下不同裂纹长度时裂纹的尖端应力强度因子(SIF),由此根据Paris疲劳裂纹扩展公式的基本理论,描述该处疲劳裂纹扩展的基本规律,建立裂纹长度与交变应力循环周期数的函数关系,对起重机桥架裂纹短期内快速扩展的原因给出量化分析。结果表明,低应力的循环作用是该处裂纹形成和快速扩展的原因。     

交叉型裂纹扩展模拟的一种有效方法

结合广义有限元法(GFEM)和扩展有限元法(XFEM)的特点,提出了一种新的数值方法——广义扩展有限元法(GXFEM).阐述了广义扩展有限元法的基本原理,对相关公式进行推导,探讨数值实现中需注意的重要问题,给出利用广义扩展有限元法进行断裂分析时应力强度因子的计算方法,编写了广义扩展有限元法程序.通过算例进行了应力强度因子的计算,模拟了结构裂纹的扩展过程.算例结果表明,利用广义扩展有限元法计算交叉裂纹扩展问题,不需要进行过密的网格划分,且网格在裂纹扩展后无需重新剖分,具有相当高的计算精度.     

含裂纹复合材料的Cell-based光滑扩展有限元法

为克服有限元法(FEM)某些固有的缺陷,提高计算精度,将Cell-Based光滑有限元法(CSFEM)与扩展有限元法(XFEM)相结合,提出光滑扩展有限元法(CS-XFEM).用该方法对含中心裂纹和斜裂纹的正交各向材料板进行模拟,并与FEM,XFEM和BXFEM(bimaterial extended finite element method)计算结果进行对比.数值算例结果表明,CS-XFEM兼具CSFEM和XFEM两者优点:单元网格与裂纹面相互独立,裂尖不必是单元节点,裂尖处网格也不需要加密,域内积分可转化为边界积分,形函数不需求导,对网格质量要求低;因此是分析断裂问题的简洁高效的数值计算方法.     

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题. 对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述. 推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响. 研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.      

压裂泵泵头体相贯线裂尖应力场及应力强度因子研究*

压裂泵泵头体作为油气压裂工艺的中的关键装备,直接决定了压裂技术的成败,影响油气开采效率和经济效益。针对现有泵头体相贯线处的疲劳开裂失效现状,建立了泵头体有限元分析模型和不同初始长度的圆形裂纹断裂模型,通过分析裂尖应力场和应力强度因子的分布规律。结果表明:内压作用下,泵头体整体仍处于弹性区,只有裂纹面前方两侧的45°~70°区域进入塑性区。相贯线处的裂纹类型虽然为Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合裂纹,但是仍然是I型裂纹主导,裂纹的起始位置位于两个内腔表面。不同裂纹长度,其应力强度因子分布规律基本一致;但是初始裂纹越长,裂纹越容易发生扩展。裂尖附近区域应力分布是影响裂纹起裂的关键因素,但泵头体两个相贯内腔半径也会影响裂纹起裂。通过分析泵头体裂尖应力场和应力强度因子,可以更好了解泵头体疲劳开裂原因和裂纹起裂位置,为泵头体的工程应用提供理论依据。     

蒸汽发生器安全端焊接接头应力强度因子计算

推导含初始应力场的扩展有限元(XFEM)弱形式,并应用到焊接导致的残余应力场下裂纹问题数值模拟中。采用互作用积分策略以获得更精确的计算应力强度因子(SIF)。在此基础上,分析蒸汽发生器(SG)安全端异种金属接头在焊接残余应力场下SIF随裂纹深度的变化情况。研究发现,随着焊接接头内侧裂纹的不断深入,SIF先增大、后减小,这表明材料对裂纹扩展的抗力是先增大、后减小的过程。初始应力场施加方法利用了XFEM在模拟裂纹扩展上的优势,避免了网格更新导致的重复计算。     

应用XFEM模拟研究钻杆裂纹扩展过程

钻杆裂纹扩展是一个典型的不连续问题,采用常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟,而扩展有限元法(XFEM)是近年来发展起来的分析断裂问题的一种有效方法。在介绍了扩展有限元法的基本原理的基础上,建立了基于XFEM的含不同深度初始裂纹的5in钻杆在拉力和扭矩共同作用下的裂纹扩展模型。通过钻杆裂纹扩展过程的分析后发现,钻杆的初始裂纹深度小于1mm时,裂纹不易扩展,但初始裂纹深度超过2mm时裂纹会在相对较低的外载荷下扩展,且扩展面较大并与初始裂纹面存在一定夹角,最终造成钻杆断裂失效。通过对钻杆裂纹的扩展过程仿真模拟,展示了XFEM在钻具断裂失效分析方面的独特优势,并为这方面的研究提供了一种新方法。     

简化脆性断裂裂尖模型及复合型断裂判据

通过对脆性断裂过程中开裂扩展机理的分析,提出一个新的简化脆性断裂裂尖模型,论证了裂尖荷载型式与裂尖断裂类型之间并不是惟一的对应关系,重新阐述和定义了裂尖处的应力强度因子和断裂韧度.通过对I型、II型及其复合型荷载作用下裂尖处应力场分析,提出了径向平面最大应力(M SRP)准则,认为在脆性断裂过程中,断裂方向由裂尖处径向平面上的最大应力所决定.分别针对I型、II型及I-II复合型荷载模式提出了裂纹断裂判断准则和开裂方向预测模型.通过推导得到了复合型荷载作用下严密完整的脆性断裂判据与裂纹开裂方向角的解析表达式,与有关脆性断裂试验结果进行的对比验证了所提出的模型及理论解的合理性.     

扩展有限元中非连续区域的一种积分方案

为促进和推广扩展有限元在实际复杂问题中的应用,提出一种适用于扩展有限元非连续区域积分的简易积分方案。利用基于该积分方案的扩展有限元程序,结合粘聚裂纹模型实现了对三点弯梁开裂过程的模拟。结果表明,由此积分方案得出的结果与常规分片积分法方案得到的结果以及已有研究结果十分吻合。与已有积分方案相比,此简易积分方案既能保证精度和收敛性,同时无需复杂的分片积分过程,也无需考虑零能模式的控制措施,大大地降低了建模的复杂性和成本。