正交异性双材料反平面界面裂纹分析

研究了正交异性双材料反平面界面裂纹问题。采用复合材料断裂复变方法,构造了特殊应力函数,通过求解一类偏微分方程组边界问题,推导出界面裂纹尖端附近的应力场、位移场及应力强度因子的表达式,确定了裂纹尖端应力场的奇异性,结果现实裂尖附近应力具有r^-1/2的奇异性,但没有振荡性。     

含界面裂纹复合材料的断裂分析

弹性复合材料界面裂纹尖端场是具有振荡奇异性的偶合场，复应力强度因子是这类场的重要指标。本文利用Ｊ积分和相互作用积分求解复强度因子的方法，给出了有限元法数值结果的算例，并对所建立的力学模型进行了计算与分析讨论。     

复合型裂纹应力强度因子的有限元计算

介绍一种计算三维复合型裂纹应力强度因子的外推法,由于裂纹尖端的奇异性,该法采用退化的1/4节点奇异单元,通过近裂尖的几个节点进行应力强度因子的求解,然后根据这些应力强度因子拟合成直线,求得裂纹尖端的应力强度因子。     

一种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术

基于三角网格的几何特征,提出一种利用有限元方法模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术。该方法选取三角网格进行单元离散,采用远场围线积分计算裂尖应力强度因子,由最大周向应力准则确定裂纹扩展方向,最后通过开裂单元的网格分裂或节点移动,实现裂纹扩展的数值模拟。以有限宽中心裂纹板、曲线翼型裂纹扩展和含孔洞多裂隙岩体的裂纹扩展为例进行模拟验证。结果表明:在该方法中,裂纹可以直接劈开一个单元,或沿单元边界扩展,因此裂纹能够不受初始网格的限制沿任意路径扩展;与现有的网格重构算法相比,该方法只须对裂尖局部单元进行网格开裂或节点移动,更加简便、高效,该方法还具有较好的适用性,能够准确模拟拉伸、压剪等复杂应力状态下的裂纹萌生和扩展。     

无限长条功能梯度材料的非局部理论分析

假设剪切模量沿厚度方向连续且为指数形式模型，研究了含有限长裂纹的无限长条功能梯度材料在反平面剪应力荷载作用下的裂纹问题。利用非局部线弹性理论和积分变换方法，将混合边界值问题简化为对偶积分方程，最后通过Schmidt方法对裂纹尖端的应力场和位移场进行了求解。结论表明，经典理论中的应力奇异性消失，在远离裂纹尖端的条件下的非局部解答和经典解答是一致的。     

安全端焊接残余应力对裂纹尖端力学参量的影响

焊接残余应力是导致核电一回路安全端异种金属焊接接头引导力腐蚀开裂(SCC)的主要因素之一,同时焊接接头区域材料力学性能不均匀性使得SCC裂纹尖端力学场分析变得更为复杂。为了了解核电一回路压力容器安全端异种焊接结构中残余应力对裂纹尖端力学参量的影响,本文通过有限元手段分别利用预定义温度场法和导入预应力法对核电一回路安全端焊接接头中的残余应力分布进行模拟,并计算分析了焊接残余应力作用对安全端焊接接头中SCC裂纹尖端主要力学参量的影响。研究表明,导入预应力法是较理想的焊接接头残余应力场模拟方法;裂尖应力、应变以及J积分均与残余应力的分布规律有很大的关联性;当裂纹长度小于管壁厚度的三分之一时,裂尖应力应变和断裂参量随裂纹长度增加而增大,之后趋于平稳;当裂纹长度接近30 mm时裂尖法向应力由正变负,裂尖应力应变随裂纹长度的增大而减小,有可能造成SCC裂纹扩展停滞。研究结果为日后定量预测安全端SCC裂纹扩展历程奠定了一定的理论基础。     

含不同角度穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含不同预置角度穿透裂纹板受拉伸断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用自编有限元程序求解虚功原理方程,裂纹扩展参照了LS-DYNA商业计算软件处理断裂问题的单元失效方法,考核了不同幅值载荷和预置裂纹角度的影响,给出了不同时刻等效应力云图和指定点的应力、应变随时间变化曲线.计算结果表明:当应力波在板中传播时,会在裂纹尖端引起应力集中,板产生垂直裂纹和水平裂纹.垂直裂纹扩展垂直于加载方向,水平裂纹扩展平行于加载方向,两者均与预置裂纹角度无关.板上不同位置的应力变化仅和相对裂尖位置相关,而与预置裂纹角度无关.相对裂尖位置、与板边界距离和加载位置是影响应变随时间变化的主要因素.当载荷幅值较小时,不会出现裂纹扩展.当载荷幅值较大时,聚集在裂纹尖端的应变能需较长时间才能释放,这会影响水平裂纹的出现时间.     

解理断裂前裂纹尖端变形与开裂的有限元模拟

对16MnR钢三点弯曲(3PB)裂纹试样进行了实验和有限元计算,模拟了裂尖开裂与钝化的构形和应力应变分布图.发现在临界载荷前,预裂纹尖端仅仅发生钝化;当载荷达到临界值时,开始有小裂纹起裂,随后钝化;再达到又一临界载荷时,小裂纹再次起裂,而后扩展,反复出现直至解理断裂发生.在模拟裂纹沿斜面起裂时,当小裂纹很短时,对对称面上的应力、应变和三向应力的分布影响比较小;只有小裂纹扩展到足够长并钝化到足够宽,才能够影响主裂纹的扩展及其前端应力、应变的分布.并针对采用有限元法在模拟裂纹扩展时所遇到的问题,探讨了模型的建立、网格的划分、断裂准则的应用以及网格重组技术的运用.     

功能梯度压电板条中的电渗透型运动裂纹

基于三维弹性理论和压电理论 ,研究了功能梯度压电板条中的电渗透型运动裂纹问题 .利用Fourier积分变换方法 ,将混合边值问题化为对偶积分方程 ,并进一步归结为易于数值求解的第二类Fredholm积分方程 .通过渐近分析 ,获得裂纹尖端应力、应变、电位移和电场的解析解 ,给出裂纹尖端场各个变量的角分布函数 ,并求得裂纹尖端场的强度因子 .结果表明 ,对于电渗透型裂纹 ,功能梯度压电板条中运动裂纹尖端附近的各个场变量都具有 - 1/ 2阶的奇异性 ,而且与固定于裂纹尖端的运动坐标有关 ;当裂纹运动速度增大时 ,裂纹扩展的方向会偏离裂纹面 .     

损伤对层合复合材料分层的影响

基于损伤内变量理论,用准三维有限单元法,分析了分层尖端区存在损伤时,Ｊ积分、能量释放率Ｇ以及裂尖附近应力场的变化规律·结果表明,裂尖损伤区的存在对Ⅰ型分层扩展起到屏蔽作用,其屏蔽机理是:损伤的存在消除了裂尖附近应力的奇异性,并在裂尖周围形成一个低层间应力区;损伤导致裂尖附近Ｊ积分不再守恒,但能量释放率降低·     

裂纹与边界交叉点的奇异性理论研究

回顾和探讨了位于三维裂纹前沿和固体自由表面交叉点附近的被称作复杂尖端奇异性的问题．结果表明,自由面上的裂纹边界点并不具有传统裂纹尖端应力场r^-0.5阶的奇异性(其中,为从裂纹尖端量起的距离),而是应该采取,阶的形式．其中指数A是关于破裂模式(即模式Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ),裂纹前沿在自由面的倾角β,破裂面与固体表面的夹角γ以及材料泊松比的函数,这一问题只对极个别情况存在解析解,而绝大多数已知结果都是通过高精度有限元、有限差分方法和强奇异积分方程得到的,尽管尖端奇异性问题对工程应用极其重要,但在应力场强度系数手册中并无现成结果。     

基于扩展有限元的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹开裂角分析

以ABAQUS为平台,利用扩展有限元方法,采用最大环向拉应力断裂准则模拟了有限大板和三点弯曲梁Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的开裂角。结果表明,采用扩展有限元法分析Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的扩展方向不需要预先指定裂纹扩展方向,解决了常规有限元方法的弊端;扩展有限元方法能够逼真地模拟复合裂纹的扩展行为,无须重新剖分网格,节省了计算成本,为解决实际复杂形状裂纹问题提供了方便的途径。     

数值流形位移法在岩体裂缝扩展中的应用

基于三角形网格,对裂缝扩展过程中流形单元变化情况进行了深入研究,从几何网格的角度对数值流形方法的连续与非连续统一处理方式进行解读.采用一阶覆盖函数,推导出数值流形算法的权函数表达式,建立局部位移函数.通过数值流形计算程序,得出裂缝尖端位移,并计算尖端应力强度因子.通过经典的中心裂纹板模型,对数值流形位移法求得的尖端应力强度因子进行验证,算例的数值解和解析解吻合度较高,证明数值流形法计算裂缝扩展的准确性,为裂纹扩展过程中尖端应力强度因子的求解提供了新的数值解法.     

基于XFEM的垂直于双材料界面的裂纹扩展问题

 基于扩展有限元法,提出了双材料界面上垂向裂纹应力强度因子的计算方案。导出由6 项组成的新型裂纹尖端位移增强函数,基于裂尖应力场和位移场的解析解,建立路径无关J_kε积分与应力强度因子K_ⅠK_Ⅱ的关系式,利用扩展有限元法计算J_kε积分,通过上述关系式求得应力强度因子,用最大周向应力准则确定裂纹扩展角θ_p。数值计算表明,J_kε积分与XFEM 结合可有效解决垂直于双材料界面的裂纹扩展问题;当裂纹由弹模较小材料朝着弹模较大材料扩展时,裂纹扩展角θ_p较小,而由弹模较大材料朝着弹模较小材料扩展时,θ_p较大;4 点弯曲试验结果表明,裂纹扩展角θ_p与界面两侧材料的泊松比比值v₁/v₂无关,而与弹性模量比值的对数lg（E₁/E₂）成指数关系。     

重力坝坝踵断裂扩展模拟方法

混凝土建筑物中的裂纹扩展追踪计算是确定结构安全度的重要手段.本文提出用虚拟裂纹单元及断裂力学准则(应变强度因子)追踪和模拟裂缝初始断裂、扩展并最终导致破坏的过程,给出一条逐段扩展的裂纹线.本方法计算结果与混凝土坝实测资料及模型试验结果吻合较好.     

广布损伤裂纹间干涉效应及数值分析

进行了三种开裂模式无钉载平板的广布损伤裂纹扩展试验,研究发现裂纹间的干涉作用明显促进了裂纹的扩展,多裂纹情况下的裂纹扩展速率远大于单裂纹。同时,利用FRANC2D/L计算和分析了单裂纹、多孔相邻裂纹、多孔不相邻裂纹和多孔等长裂纹等四种开裂模式的裂纹扩展行为及应力强度因子分布。结果表明,裂纹扩展初始阶段主要受孔自身应力集中影响,裂纹间的干涉作用弱;随着裂纹扩展到一定长度时,裂纹间的干涉作用显著增大,且随着裂纹间韧带长度的减小而快速增加,与试验结果一致。     

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．     

有限元与离散元混合法在裂纹扩展中的应用

基于有限元与离散元混合方法研究裂纹扩展模拟问题。对含原生裂纹的结构进行单元离散,用有限元计算单元内部,采用离散元计算单元界面,通过单元连接形式的转变实现连续到非连续的转化;采用平面半弹簧法进行接触判断,通过显示迭代求解运动方程,不断更新单元坐标,实现裂纹扩展的数值模拟。以单裂纹与雁形裂纹在单向位移载荷作用下的扩展为例,对比数模结果与试验结果。结果表明:采用有限元与离散元混合方法可有效模拟单、多裂纹的扩展过程;岩桥为90°的雁形裂纹受对向挤压载荷作用发生翼裂-翼裂贯通。