表面裂纹的三维模型及应力强度因子计算

采用solid186单元退化生成的三维奇异等参单元模拟裂纹前缘应力应变场的奇异性,建立了相应的计算裂纹前缘应力强度因子(SIFS)的ansys有限元模型.采用相互作用积分法求解裂纹前缘的应力强度因子值.通过数值计算,分析了模型高度H、宽度W、过渡区网格尺寸L_2和非裂纹体网格尺寸L_3对裂纹前缘应力强度因子值计算精度的影响,对比Newman-Raju公式的计算结果,给出了模型高度H、宽度W、过渡区网格尺寸L_2和非裂纹体网格尺寸L_3的取值范围.本模型计算结果稳定可靠,能够适用于工程中含裂纹构件的应力强度因子值计算.     

重载货车钩舌裂纹应力强度因子分析

服役条件的恶化和铸造缺陷的存在导致重载货车钩舌大量出现裂纹.根据实际应用中钩舌裂纹的出现位置和宏观形态,建立了含裂纹的钩舌有限元模型.采用相互作用积分法分析了牵引面水平中心线位置处、水平中心线附近及沿水平中心线处裂纹前缘的应力强度因子,并结合裂纹区不同位置处应力的变化特征,分析了应力对裂纹应力强度因子的影响.结果表明,牵引面处裂纹前缘的应力强度因子与裂纹位置和裂纹形状比有关,且相对于裂纹尺寸,应力对应力强度因子的影响更大.     

7085铝合金三维中心斜裂纹应力强度因子的数值计算

为研究7085-T7485铝合金疲劳裂纹扩展的应力强度因子,用ANSYS软件建立了含三维中心斜裂纹铝合金的有限元模型。利用位移外推法和相互作用积分法计算了裂纹的应力强度因子;并将两种方法计算得到的结果与解析解对比,分析了中心斜裂纹的长度和倾斜角度对应力强度因子的影响。结果表明,在一定的范围内,两种方法与解析解都比较接近;但随着裂纹长度和角度的增加,相互作用积分凸显出更高的精度。因此,采用相互作用积分法对裂纹扩展的应力强度因子进行了计算,研究结果对铝合金三维复合型疲劳裂纹扩展机制研究有一定的指导意义。     

矩形板中心裂纹有限元数值分析

为了计算构件裂纹断裂参量应力强度因子,利用有限元方法对矩形板中心裂纹断裂参量应力强度因子的计算进行了研究.在建立有限元模型时对于裂纹尖端的单元,采用节点-单元的方式生成二次奇异单元.同时对矩形板中心裂纹的应力强度因子的计算公式进行了修正,得到了简便的公式.为计算类似的裂纹断裂参量提供了参考和借鉴.     

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明：顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。     

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.     

热交换管内壁半椭圆裂纹应力强度因子的数值研究

使用ANSYS软件建立了热交换管内壁横截面上含半椭圆裂纹的有限元分析模型,用来模拟裂纹尖端应力奇异性.通过对裂纹前缘进行离散,得到不同扩展的裂纹前缘.在不同热机械耦合载荷下,计算并比较了不同裂纹参数下有限元模型的应力强度因子K_Ⅰ值.讨论了K_Ⅰ值分布规律以及影响其分布情况的因素.     

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.     

金瓷修复体双材料界面断裂强度有限元分析

建立金瓷修复体双材料界面裂纹扩展的有限元计算模型．首先利用有限元计算得到平面应力条件下裂纹尖端位移场，求出裂尖附近复应力强度因子主导区域内对应点的相对位移，再辅以传统计算方法得到衡量双材料抵抗断裂能力的复应力强度因子K，并利用双材料界面断裂有关理论和基本公式，求得相关的断裂力学参量，对计算结果进行了实验验证．分析表明，金瓷层厚比对金瓷裂纹开裂具有很大的影响，为进一步分析和研究金瓷修复体断裂行为提供了研究方法。     

基于有限元法的二维裂纹应力强度因子研究

基于有限元分析方法，对有限大平板中存在的中心穿透裂纹，分别用不同的方法分析其裂纹尖端应力、应变场分布，计算出裂纹尖端的应力强度因子．通过对求得的应力强度因子值与解析解的比较，表明用有限元方法计算应力强度因子具有相当高的精度，并且操作简便。     

CFL加固受弯钢板中表面裂纹应力强度因子的数值分析

借助ANSYS建立了碳纤维薄板(CFL)加固钢板中半椭圆型三维表面裂纹的应力强度因子有限元计算模型,讨论了CFL厚度、裂纹形状比、裂纹面积对CFL加固受弯钢板中三维表面裂纹应力强度因子的影响.研究结果表明:CFL加固含裂纹的钢结构能够大幅度地降低裂纹的应力强度因子;应力强度因子的降低速率随CFL厚度的增加而减小;裂纹面积越大的表面裂纹,在CFL加固后其应力强度因子降低的幅度越大,加固效果越明显;对于含细长裂纹的受弯钢板,CFL正面加固的效果更为显著.     

7050铝合金材料R曲线的三维效应与试验研究

裂纹扩展阻力曲线(R曲线)反映了疲劳裂纹扩展断裂的真实物理过程,但是现阶段测量材料R曲线的方法在计算试样阻抗应力强度因子时,未考虑厚度的影响,并且在计算裂纹扩展阻力R时,仅考虑了平面应力状态与平面应变状态两种极端情况,忽略了更为普遍的过渡状态。首先对中心孔裂纹板进行了三维弹塑性有限元分析,通过计算其三维应力强度因子表示式,建立了裂纹扩展阻力与试样厚度的关系模型。其次,依据三维状态下能量释放率与应力强度因子的关系式,结合裂纹扩展阻力与试样厚度的关系式,建立了不同厚度试样三维裂纹扩展阻力R值的计算模型。最后,基于该模型,通过试验测定了不同厚度7050铝合金板的R曲线,得到了R曲线与试样厚度的函数关系式。     

块体表面裂纹应力强度因子有限元方法研究

研究三维表面裂纹建模及其计算精度问题. 采用有限元方法,对奇异单元和J积分两种求解裂纹强度因子方法的计算精度进行研究,并进一步研究了计算精度对网格密度和网格形式的依赖程度. 研究发现,对奇异单元法而言,影响计算结果准确度的主要原因是裂纹尖端区的尺寸,网格密度的影响不大;对J积分法而言,网格形式和网格密度的影响都不大,适合处理复杂结构的应力强度因子计算.     

基于裂纹失效路径的压力容器剩余寿命预测新方法

裂纹的扩展行为研究是压力容器剩余寿命预测的关键与基础。针对目前难以准确预测压力容器表面裂纹剩余寿命的状况,通过建立压力容器表面裂纹的受力模型,利用有限元方法分别计算出裂纹表面点与最深点处的应力强度因子,得到裂纹深度a与长度c的变化之比,运用压力容器仿真系统进行路径仿真与失效速率仿真,得到裂纹在安全区域的临界拐点及临界值aN。实例计算结果表明,表面裂纹的失效路径能够直观准确的表示裂纹的扩展规律,进行有效的剩余寿命预测。     

疲劳裂纹扩展前缘形貌分析及数值模拟

为研究疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘形貌的变化规律,按照试验标准设计2024HDT铝合金断裂韧度试验,获取疲劳裂纹前缘形貌,通过有限元仿真研究了裂纹前缘应力强度因子的分布规律,对裂纹前缘形状进行数值模拟。结果表明：贯穿厚度平面裂纹将首先由试样缺口根部的中心层部位启裂,裂纹前缘在疲劳扩展过程中由初始直裂纹演变为椭圆形前缘裂纹。     

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.     

沥青加铺层裂纹尖端应力强度因子分析

裂纹尖端处的应力强度因子是研究裂纹扩展规律的基础，它以数值形式表征了不同裂纹尖端趋向开裂的严重程度．采用有限元方法对车辆荷载和温度作用下沥青加铺层的裂纹应力强度因子进行了分析，研究了沥青加铺层厚度、模量、初始裂纹长度、降温幅度及轴载等参数变化对加铺层裂纹应力强度因子的影响程度，为沥青加铺层防裂设计方法提供必要的理论依据．     

双复合材料结构基底厚度对薄膜裂纹的影响

针对薄膜-基体双复合材料结构的薄膜裂纹问题,研究了薄膜材料的力学行为,进行了裂纹垂直于薄膜与基底交界面,且尖端未达到交界面情形下问题的分析.基于Beuth理论,把模型简化为平面应变问题,并通过有限元分析程序评价了具有裂纹的薄膜-基底双复合材料结构的断裂机理,得到了薄膜与基底不同的弹性错配及薄膜与基底的不同的厚度比率,对薄膜裂纹应力强度因子的影响.结果表明:随着hs/hf的减小,应力强度有很大幅度的提高,当hs/hf≥10时,基底的厚度对薄膜裂纹的影响较小,可以忽略不计;当薄膜-基底结构退化为单一材料时,应力强度因数趋向于1.     

含Ⅰ型边缘裂纹离心叶轮的应力强度因子预测方法

离心叶轮叶片在高速旋转时容易因裂纹扩展出现断裂破坏。由于叶片几何形状和载荷均很复杂,采用公式法计算I型裂纹的应力强度因子不可避免地存在着误差。扩展有限元法分析应力强度因子虽精度较好,但一般要花费大量的计算时间且有时收敛困难。首先基于ABAQUS软件扩展有限元法模块,仿真分析了不同的裂纹起始位置和裂纹长度下的叶片裂纹尖端应力强度因子,得到其与裂纹长度和起始位置的关系。接下来,基于断裂力学理论知识,检验了公式法估算应力强度因子的准确度。最后,以扩展有限元法的仿真结果为训练数据,以叶片裂纹位置和裂纹长度为输入参数,建立了裂纹尖端应力强度因子的多层反向传播人工神经网络(back propagation artificial neural network, BP-ANN)。算例表明,BP-ANN的预测精度优于公式法,并可有效减少扩展有限元法的仿真次数,推进断裂力学在离心叶轮可靠性设计中的应用。