支柱瓷绝缘子表面裂纹应力强度因子的有限元分析

通过ANSYS实体建模方法创建了含半椭圆表面裂纹的支柱瓷绝缘子有限元模型,裂纹前缘采用三维20节点等参退化奇异单元模拟尖端的应力应变奇异性,利用1/4节点法计算了弯曲载荷作用下瓷绝缘子裂纹前沿的应力场强度因子,得出KI随裂纹尺寸、位置及载荷水平改变时的变化规律.计算结果表明:相同条件下,支柱下法兰口与底部第一伞裙之间的表面裂纹最深点具有最大的应力强度因子,且KI值随裂纹形状比的增大而减小,随裂纹深度及载荷的增大而增大.     

单边斜裂纹的应力强度因子计算

应用有限元单元法研究了裂纹的扩展和裂纹尖端的应力应变与应力强度因子的关系,计算了单边斜裂纹受双向拉伸时应力强度因子随裂纹角度、裂纹的长度以及板长的变化.结果表明:1)单边斜裂纹受双向拉伸的应力强度因子Ⅰ型分量随裂纹角度的增加而增加,Ⅱ型分量随裂纹的角度增大先增大,大于45°后逐渐减小;2)单边斜裂纹受双向拉伸的应力强度因子Ⅰ型分量和Ⅱ型分量均随裂纹长度的增加而增加;3)板长的影响主要体现在板长比较小时,当长宽比达到一定的值时,影响基本可以忽略.这些结果为以后的裂纹研宄打下了基础.     

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．     

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。     

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.     

中心裂纹圆盘裂纹形状尺寸对应力强度因子的影响

采用有限元数值分析方法 ,分析了由脆性材料制成的中心裂纹圆盘试件 ,在复合模式加载条件下裂纹形状尺寸 ,尤其是裂纹宽度和中心小孔半径对应力强度因子的影响 .结果表明 :槽式和槽孔组合式裂纹圆盘试件 ,其I型无量纲应力强度因子FⅠ均比按理想裂纹推出的解析解大 ,而Ⅱ型无量纲应力强度因子FⅡ 均比解析解小 ;随着加载角度增加 ,FⅠ 的数值解与解析解的差值逐渐变小 ,而FⅡ 的差值逐渐变大 ;同时 ,随着裂纹槽宽度或中心小孔半径的增加 ,应力强度因子数值解与解析解之差逐步增加 .依据数值分析的结果 ,给出了这两类试件相对于理想中心裂纹圆盘试件应力强度因子解析解的修正公式 .     

各向异性双材料Ⅲ型界面裂纹应力分析

研究了各向异性双材料Ⅲ型界面裂纹问题.通过构造新的位移函数,采用复合材料断裂复变方法,求解了一类偏微分方程组的边值问题,推导出各向异性双材料Ⅲ型界面裂纹尖端附近的应力场、位移场以及应力强度因子的表达式.结果显示,裂纹尖端附近应力具有r-1/2的奇异性,但没有振荡性,通过算例得到应力随极径r变化的规律.当坐标轴与各向异性材料的纤维主方向重合时,即夹角φj=0,(j=1,2),获得了正交异性双材料Ⅲ1型界面裂纹的应力场、位移场与文献一致,验证了结果的正确性.     

Ⅰ型裂纹失稳扩展的临界力学条件

考虑了裂纹前端塑性区的影响,建立了Ⅰ型裂纹在平面应力和平面应变条件下失稳扩展的能量解析式;并由变分法确定了裂纹的临界尺寸。结果表明,当aac1或aac2时,裂纹失稳扩展。讨论表明,裂纹扩展能量随着裂纹尺寸的增加而呈现出先增加后减少的趋势,在临界裂纹尺寸处取得最大值;平面应力条件下裂纹扩展能量高于平面应变条件下裂纹扩展能量;临界裂纹尺寸随外加应力和裂纹张开位移的增大而减少,且平面应力条件下临界裂纹尺寸比平面应变条件下临界裂纹尺寸大。     

摩擦系数对齿轮裂纹应力场强的影响

基于弹性理论,借助通用有限元软件ANSYS模拟齿轮啮合过程的摩擦现象.对裂尖进行奇异化处理,分析摩擦系数及裂纹形状对裂纹尖端等效应力、裂纹尖端位移和应力强度因子的影响,修正齿轮应力强度因子公式.研究结果表明:同一裂纹结构随着摩擦系数的增加裂纹尖端的等效应力、位移和应力强度因子也相应增加.随裂纹形状a/c变化,当a/B＜0.05(定义B为齿轮危险截面的厚度)时前自由面影响起主要作用,当a/B＞0.05时后自由面影响起主要作用,均随着比值的增大应力强度因子先增大后减小.     

Ⅰ-Ⅲ型复合加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率

通过有限元数值模拟和疲劳裂纹扩展试验,研究了铝合金材料在Ⅰ-Ⅲ复合型加载条件下的疲劳裂纹扩展规律,得到了在不同加载情况下裂纹的应力强度因子、裂纹前缘能量场和塑性区半径.在分析Ⅰ型拉力载荷对裂纹扩展的基础上,着重分析了Ⅲ型加载对Ⅰ型裂纹应力强度因子及裂纹前缘能量场的影响.结果表明:应力强度因子KⅠ随着Ⅲ型加载的增大而减小,而裂纹附近塑性区半径增大.进行Ⅲ型静态加载会使疲劳裂纹扩展速率减小,在一定范围内,Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而减小;而在进行Ⅲ型循环加载会使疲劳裂纹扩展速率增大,在一定范围内,Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而增大.     

管道轴向双裂纹夹角对尖端应力强度因子的影响

管道裂纹应力强度因子的分析是裂纹是否扩展判断和管道疲劳断裂计算的关键.应用通用有限元软件ANSYS对不同管道外径、裂纹尺寸、不同夹角下含轴向双裂纹管道裂纹尖端应力强度因子进行了计算.结果表明,管道和裂纹尺寸确定时,裂纹尖端应力强度因子随裂纹间夹角增大而增加;管道尺寸确定时,随着裂纹长与壁厚比增加,夹角对裂纹尖端应力强度因子影响增强.通过分析夹角对双径向裂纹应力强度因子的影响,为工程实际中合理地判断裂纹扩展可能性和精确地进行管道疲劳断裂计算提供参考.     

碳纳米管复合材料中镁基体裂纹尖端应力强度因子有限元分析

通过有限元软件ANSYS对碳纳米管增强镁基(AZ91D)复合材料镁基体裂纹尖端应力强度因子进行模拟,得出在裂纹长度和弹性模量不匹配下对基体裂纹尖端无量纲化的应力强度因子影响情况.进一步模拟了不同长径比碳纳米管对复合材料基体中裂纹尖端应力强度因子的影响.结果表明:当碳纳米管长径比较小时基体裂纹尖端应力强度因子随裂纹长度增长而增大,当碳纳米管长径比较大时基体裂纹尖端应力强度因子随着裂纹长度的变化呈现出减小的规律.     

渗透压下岩石翼形裂纹应力强度因子及断裂判据

为研究渗透压下岩石翼形裂纹面部分闭合情况下的破坏行为,建立多裂纹间相互作用下压剪翼形裂纹的力学模型,推导得到岩石翼形裂纹尖端应力强度因子表达式.分析不同起裂角条件下,应力强度因子随岩石翼裂纹长度的变化规律,并对参数进行敏感性分析.基于摩尔-库伦准则,推导考虑裂纹间相互作用的部分闭合型裂纹的断裂韧度表达式,得到岩石在压剪应力作用下Ⅰ,Ⅱ型裂纹的复合断裂判据.分析结果表明:裂纹间相互作用对应力强度因子的影响效果显著;应力强度因子在起裂角为65°左右时达到最大;应力强度因子对裂纹起裂角和翼形裂纹长度较敏感,对裂纹闭合度的敏感性较小.     

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     

I型裂纹失稳扩展的临界力学条件

本文考虑了裂纹前端塑性区的影响,首次建立了I型裂纹在平面应力和平面应变条件下失稳扩展的能量解析式,并由变分法确定了裂纹的临界尺寸。结果表明,当 或 时,裂纹失稳扩展。讨论表明,裂纹扩展能量随着裂纹尺寸的增加而呈现出先增加后减少的趋势,在临界裂纹尺寸处取得最大值;平面应力条件下裂纹扩展能量高于平面应变条件下裂纹扩展能量;临界裂纹尺寸随外加应力和裂纹张开位移的增大而减少,且平面应力条件下临界裂纹尺寸比平面应变条件下临界裂纹尺寸大。     

裂纹表面线性分布力作用下I型应力强度因子的解析解

对于I型裂纹,考虑到裂纹表面受线性分布约束应力作用,利用复变函数方法,从两个基本的解析函数出发,推导出应力强度因子(SIF)和裂纹张开位移(COD)的解析解.数值计算了3种形式的应力分布,即右梯形分布(情况I)、均匀分布(情况II)和左梯形分布(情况III).通过对3种形式的应力强度因子和裂纹张开位移进行对比,发现裂纹表面约束应力的分布形式和位置对应力强度因子和裂纹张开位移有很大影响;随着约束应力区远离裂纹中心,应力强度因子减小,而裂纹中心张开位移随之增大.     

双材料垂直于界面裂纹应力强度因子的有限元法

基于双材料垂直界面裂纹理论,给出了不同于Cook的应力强度因子的定义式,推导出了用应力外推法计算双材料垂直界面裂纹应力强度因子的计算公式。以含双边裂纹有限尺寸板拉伸模型为研究对象,对应力外推法外推点范围和裂尖尺寸的选取进行了系统的研究,并通过对比分析相同边界条件下的单材料和双材料应力强度因子,对应力外推法应用到双材料问题中的有效性进行了验证。     

正交异性复合材料板星形裂纹的应力分析

研究了正交异性板中星形裂纹的平面弹性问题.采用复合材料断裂复变方法,选取适当的保角映射和特殊应力函数推出了裂纹尖端附近的应力场及Ⅰ型、Ⅱ型星形裂纹应力强度因子的解析解.     

T应力对扩展裂纹尖端塑性区域形状的影响

根据Williams级数解,裂纹尖端应力场由Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子及T应力共同控制。将裂纹尖端应力分量代入Von Mises屈服准则,建立裂纹尖端塑性扩展区模型。基于该模型获得了在不同Ⅰ-Ⅱ复合比断裂情况下裂纹尖端塑性扩展区形状随T应力的变化规律,并对Ⅰ型和Ⅱ型断裂在复合型裂纹断裂所占的比例、T应力大小及泊松比对塑性区域形状的影响进行了讨论。研究结果表明:正的T应力引起裂纹断裂角θ_0减小,加剧裂纹扩展;负的T应力导致裂纹断裂角θ_0增大,并抑制裂纹扩展;T应力为0或纯Ⅰ型裂纹尖端塑性区存在对称轴,存在T应力后,塑性区域呈不对称分布,T应力绝对值越大,塑性区域面积越大,T应力对裂纹尖端塑性区形状及尺寸大小均有很大影响。此外,不同Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,塑性区域面积均随泊松比的增大而减小。塑性区变化的观测结果对进一步分析加载条件下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹工程结构缺陷的疲劳和断裂具有重要意义。     

中心裂纹圆盘集中载荷作用下的应力强度因子

在无裂纹圆盘应力分量解析解的基础上，利用泰勒级数展开，并运用三角函数的倍角公式，得到了σθ、σrθ和σr幂级数展开式及其系数Aji的统一表达式．然后，用权函数方法推导出Ⅰ Ⅱ复合模式加载条件下中心裂纹圆盘试件应力强度因子是KⅠ和KⅡ的计算公式及系数fji的统一表达式，可以解决任意相对裂纹长度或任意加载角(裂纹方向与载荷作用线夹角)下，KⅠ和KⅡ的精确计算问题．算例分析表明随着裂纹相对长度α的增大，计算应力强度因子时，必须取足够大的项数n(n＞5)，才能保证级数解的精度；对于中心裂纹圆盘试件，产生纯Ⅰ型裂纹的加载条件不随裂纹的相对长度而变化，而产生纯Ⅱ型裂纹的条件与裂纹的相对长度和加载角相关；此外，当实施纯Ⅱ型裂纹试验时，可根据实测的裂纹相对长度α，计算出试验应设置的临界加载角θc．