共线双裂纹应力强度因子计算方法

为了在工程中快速准确地估算含共线双裂纹平板表面及最大裂纹深度位置的应力强度因子,提出一种基于裂纹表面最大张口位移估算三维体表面共线双裂纹沿表面及深度方向应力强度因子的新方法.该方法首先以三维体表面单裂纹沿表面和深度方向应力强度因子为基础,通过简单修正,提出了共线双裂纹应力强度因子的计算模型;然后基于有限元数值模拟,考虑了共线双裂纹的间距、裂纹形状比和裂纹长度比等因素对修正系数的影响,建立了多种情况下共线双裂纹应力强度因子的修正系数的量化模型;最后得到了适合工程应用的基于裂纹表面最大张口位移估算共线双裂纹应力强度因子的简便方法.     

楔型向错偶极子对界面裂纹尖端场的干涉

研究了材料中楔型向错偶极子与界面裂纹的弹性干涉效应.运用复变函数方法获得了复势函数和应力场的封闭形式解答,导出了界面裂纹尖端应力强度因子的解析表达式.讨论了向错偶极子的位置、方向和偶臂长度对界面裂纹尖端应力强度因子的屏蔽和反屏蔽效应.结果表明,向错偶极子靠近裂纹尖端时,对应力强度因子的屏蔽或反屏蔽作用非常强烈.向错偶极子的方向存在一个临界值使其对应力强度因子的屏蔽或反屏蔽效应最大.另外,偶臂长度和材料失配对应力强度因子的影响也很大.     

玻璃钢套管Ⅰ型裂纹应力强度因子的数值计算

为研究含裂纹玻璃钢套管裂纹尖端应力强度因子,采用ANSYS软件建立了含中心裂纹玻璃钢套管的有限元模型,研究了玻璃钢套管长度、端面直径、裂纹长度及外载荷对裂纹尖端应力强度因子的影响.研究结果表明:可以采用有限元软件解决裂纹尖端应力场奇异性的问题,验证了使用位移外推法和J积分方法求解应力强度因子的正确性;当只改变一个参数时:裂纹尖端应力强度因子随裂纹长度变化呈线性增长;随着外载荷的增长,裂纹尖端应力强度因子呈正比关系增长;当试件长度与裂纹长度符合无限大平板假说时,采用位移外推法和J积分方法求解的应力强度因子与解析解基本一致.该成果对研究玻璃钢套管具有一定的参考价值和指导意义.     

两平行热疲劳裂纹的应力强度因子计算方法

针对直接计算热疲劳裂纹网中裂纹的应力强度因子有困难的问题,提出用有限元方法计算了若干组(每组两条)平行裂纹发生屏蔽效应时的应力强度因子,研究裂纹间屏蔽效应的规律.定义了热疲劳裂纹的比间距n、屏蔽剩余百分数s和裂纹长度比值f,发现此三者有确定关系且与边界条件及裂纹长度无关.给出了n-s-f的关系曲线,据此可根据单条裂纹的应力强度因子推算两条裂纹发生屏蔽效应时主裂纹的应力强度因子.算例表明,该方法是正确的、有效的.     

两条等长共线裂纹尖端塑性区扩展理论研究

采用Kachanov法基本思想求解2条等长共线裂纹相互作用下裂纹的应力强度因子,分别基于Mises屈服准则和D-P屈服准则推导了裂纹尖端塑性区半径的表达式,并求得裂纹相互作用下塑性区半径的扩大倍数,其值为2条裂纹相互作用下的应力强度因子与单裂纹状态下应力强度因子比值的平方。在此基础上,分析了裂纹间距对塑性区扩展的影响。研究发现,同一裂纹倾角下裂纹间距与裂纹长度比值越小,2条裂纹尖端的塑性区半径越大,裂纹尖端塑性区扩展速度越快,直至塑性区发生接触,且不同的裂纹倾角,裂纹尖端塑性区发生接触的条件不同。     

半无限横观各向同性介质中三维裂纹问题数值分析

采用对偶边界元方法分析了沿裂纹面分别作用法向和切向均布力时半无限横观各向同性介质中的三维矩形裂纹。裂纹面及半无限域自由面平行于材料各向同性面。该方法基于双层横观各向同性材料基本解,以裂纹面间断位移为未知量建立了面力超奇异边界积分方程。根据求得的间断位移计算了该类裂纹的应力强度因子。最后讨论了自由面、矩形裂纹边长比、材料弹性系数对应力强度因子的影响。结果表明,自由面对作用法向均布力的该类矩形裂纹应力强度因子有明显影响,对作用切向均布力的该类矩形裂纹应力强度因子影响较小,且自由面的这种影响主要与裂纹面到自由面的距离有关,与矩形裂纹边长比基本无关。     

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.     

平行偏置裂纹相互作用及其合并条件

裂纹之间的相互作用因其位置和方向的不同会引起应力场的相互增强或者相互减弱效应.运用FRANC2D软件,对单向拉伸载荷作用下含2条平行偏置裂纹的平板进行有限元分析,计算得到2条平行偏置裂纹在不同几何特征下的应力强度因子和应力变化图,再现了它们相互作用的应力场叠加规律,讨论了裂纹水平间距比(s/a2)、裂纹垂直间距比(h/a2)和裂纹长度比(a2/a1)对应力强度因子的影响以及2条裂纹之间的相互作用情况.结果表明:裂纹尖端内侧在s/a2=-1.4时所受的屏蔽效应最明显,h/a2对应力强度因子的影响因s/a2表现为3种不同的变化规律,且等大裂纹的相互作用最为显著.在此基础上验证了在用含缺陷压力容器安全评定(GB/T19624-2004)中关于非共面的两相邻穿透裂纹合并条件的适用性.     

拉、压剪作用下煤岩不等长共线裂纹相互作用

为研究天然煤岩体中的裂纹相互作用规律,采用Kachanov法,推导了拉剪不等长共线裂纹和单轴受压滑动闭合裂纹的应力强度因子表达式,分析了裂纹长度,裂纹间距和倾角等几何参数对共线裂纹相互作用的影响.研究结果表明:当裂纹间距增大到一条裂纹长度时,该裂纹对另一裂纹的应力强度因子几乎不产生影响;当小裂纹长度小于裂纹间距时,其对大裂纹的起裂基本无影响;当大裂纹长度大于裂纹间距时,开始影响小裂纹的起裂.     

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.     

混凝土内裂纹沿水泥石/骨料界面或穿透骨料发展的条件

采用有限元方法,通过计算能量释放率并与材料断裂韧性对比,对弯曲荷载下骨料/水泥石界面区域裂纹走向进行分析判定。研究了水泥石、骨料性质对裂纹走向的影响。计算结果表明,对于给定骨料的混凝土,随着混凝土抗压强度(σ_c)的增大,弯曲型裂纹和穿透性裂纹两种裂纹走向的能量释放率之比呈逐渐减小趋势,而界面与骨科的断裂韧性之比则逐渐增大。两曲线的交点为的临界点,对应的混凝土标准抗压强度称为临界抗压强度σ_(cr)。当σ_c<σ_(cr)时,裂纹将沿水泥石与骨料的分界面发展,形成弯曲型裂纹;当σ_c>σ_(cr)时,裂纹将穿透骨料发展,形成穿透型裂纹。骨料种类对于σ_(cr)值的影响较大,花岗岩骨料为80 MPa左右,卵石骨料为72MPa,石灰石骨料为58MPa。     

大体积混凝土结构裂缝及其防治

介绍了大体积混凝土的含义及产生裂缝的原因，推导出在不同的条件下，大体积混凝土结构的温度应力和裂缝间距的计算公式。由此，讨论了在不同的温度条件下的应力状态和温度裂缝的分类，并提出了防治大体积混凝土结构裂缝出现的有效措施。     

部分充填混凝土-钢箱连续组合梁裂缝特征

对5根部分充填混凝土-钢箱连续组合梁进行静力加载试验,研究组合梁在负弯矩作用下的混凝土面板的裂缝开裂和发展特征.根据试验结果与理论分析,综合考虑力比、栓钉间距对部分充填混凝土-钢箱连续组合梁裂缝特征的影响,对比负弯矩区裂缝宽度试验值与各文献计算值.结果表明:力比对裂缝最大宽度的影响较大,栓钉可引起次生裂缝的产生,故应将力比及栓钉连接件的间距作为部分充填混凝土-钢箱组合梁中支座区最大裂缝宽度计算的重要参数.     

Crack spacing of unsaturated soils in the critical state

The cracking mechanism of unsaturated soils due to evaporation is poorly understood, and the magnitude of crack spacing is usually hard to estimate. In this work, cracks were postulated to occur succedently rather than simultaneously, that is, secondary cracks appear after primary cracks as evaporation continues. Formulae of the secondary crack spacing and secondary trend crack spacing were then derived after stress analysis. The calculated spacing values were consistent with the published experimental data. Meanwhile, the effect of the Poisson ratio on the crack spacing was analyzed, which showed that the magnitude of crack spacing was proportional to the Poisson ratio in the range of [0.30, 0.35].     

水压作用下三维裂隙组扩展过程试验研究

坝基和边坡等受压岩体裂隙中往往有水压力的存在,真实岩体中不能直接观察内部裂隙的扩展过程。自行研制了一种在低温下具有良好脆性的透明类岩石材料,内部预制张开型裂隙组,通过导管与外部高压注水设备相连进行单轴压缩试验。详细阐述了单裂隙和平行双裂隙组试件在渗透水压和单向压缩条件下内部裂纹的起裂、扩展、贯通机制;研究了裂隙组倾角及间距对平行双裂隙组试件起裂应力和峰值强度的影响。试验表明:水压作用下裂纹的扩展贯通模式和无水情况下明显不同,水压的存在对花瓣型裂纹和反翼裂纹有抑制作用,对包裹式翼裂纹有促进作用;平行双裂隙组试件的起裂应力和峰值强度随裂隙倾角增大呈现先减小后增大的趋势,并且在45°左右时强度最低;裂隙间距增加,起裂应力和峰值强度增大并逐渐趋于单裂隙强度水平。试验成果对研究岩体中水压作用下受压裂隙组起裂、贯通机制具有重要的参考价值。     

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。     

含半球形缺陷无限大弹性体表面裂纹的数值分析

为了防止航天器在受到撞击后造成灾难性破坏,选取含半球形表面缺陷和表面裂纹的三维线弹性体(简称表面缺陷裂纹问题)作为研究对象,针对几种相关模型,采用康奈尔大学断裂力学小组编制的FRANC3D边界元软件对断裂分析中的关键参量--应力强度因子进行了数值分析,计算出了含半圆形表面缺陷裂纹体无限大和有限大的界限.半球形表面缺陷影响下,表面裂纹前沿的应力强度因子均随着裂尖与前自由表面间距离的增大而减小.     

压力容器内外交错分布裂纹的相互作用分析

压力容器在制造、安装以及使用过程中都有可能产生裂纹,这些表面裂纹会随着容器的使用而发生扩展甚至破裂,严重影响了压力容器的使用安全性。因此开展了对压力容器内外壁表面裂纹相互作用的研究。通过使用ANSYS有限元分析软件,建立内压作用下含裂纹压力容器模型,分析了不同倾角以及交错角情况下裂纹应力强度因子的变化规律。发现单裂纹应力强度因子随倾角的增大而减小;内外壁双裂纹的相互影响作用随交错角的增大而减小。研究对含角度双裂纹相互作用下的失效评定具有一定的意义。     

初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响

为了探求初始裂隙几何要素对岩石裂隙扩展演化的影响,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统,研究特定应力条件下裂隙长度、无偏置双裂隙的水平间距和竖直间距对裂隙演化的影响。通过大量的数值试验,再现裂隙的发展演化过程,获得了特定条件下裂隙发展演化的一般规律,并对岩块破坏形态进行了描述。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。