等参数平面裂纹问题的二级分形有限元分析

针对正交各向异性板的平面裂纹问题，应用二级分形有限元的办法研究了裂纹尖端应力强度因子的计算方法．与各向同性平面裂纹问题比拟，获得正交各向异性平面裂纹问题的一般解，并将它作为整体插值函数；利用二级分形有限元对平面裂纹板进行离散，使得求解的自由度极大地减少．结果表明，只需有限粗略的网格划分和简单的插值单元就可以有效地获得较精确的裂纹尖端应力强度因子．     

正交各向异性板Ⅲ型裂纹问题的William′s一般解

引入参数β=μx/μy,将正交各向异性板反平面裂纹问题的基本边值问题转换为正交各向同性的形式,反平面裂纹问题的位移和应力在正交各向同性和正交各向异性这两种情况之间的比拟关系非常简单,使问题的求解更为方便.为了说明这个比拟方法,分别求导了含有内部裂纹和边缘裂纹的正交各向异性板Ⅲ型二维裂纹问题的William′s一般解.这些William′s一般解对于用FFEM和其他数值方法来求解正交各向异性板反平面裂纹问题是一个非常重要的基础.研究结果表明这种比拟变换方法能有效地简化正交各向异性板Ⅲ型裂纹问题的求解.     

正交各向异性板Ⅲ型裂纹问题的William''''s一般解

引人参数β=(√μx/μy),将正交各向异性板反平面裂纹问题的基本边值问题转换为正交各向同性的形式,反平面裂纹问题的位移和应力在正交各向同性和正交各向异性这两种情况之间的比拟关系非常简单,使问题的求解更为方便.为了说明这个比拟方法,分别求导了含有内部裂纹和边缘裂纹的正交各向异性板Ⅲ型二维裂纹问题的William's一般解.这些William's一般解对于用FFEM和其他数值方法来求解正交各向异性板反平面裂纹问题是一个非常重要的基础.研究结果表明这种比拟变换方法能有效地简化正交各向异性板Ⅲ型裂纹问题的求解.     

各向异性与正交异性双材料Ⅲ型界面裂纹分析

研究了各向异性与正交异性双材料Ⅲ型界面裂纹问题.通过构造新的应力函数,采用复合材料断裂复变方法,求解一类偏微分方程组边值问题,推导出各向异性与正交异性双材料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;分析当角α=0时,获得了正交异性双材料Ⅲ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。     

正交各向异性板周期张开型平行裂纹的应力分析

通过构造适当的Westergaard应力函数,采用复变方法和待定系数法对正交各向异性纤维增强复合材料板的周期张开型平行裂纹尖端附近的应力场进行力学分析.在无穷远处对称拉伸载荷的作用下,利用双曲函数的周期性,修正常规的应力强度因子定义,得到用n表示的周期张开型裂纹尖端的应力强度因子及用修正的应力强度因子表示的周期张开型裂纹尖端附近的应力场的显式解析表达式.此外,应力场的大小与材料弹性常数有关,这是正交各向异性材料不同于各向同性材料的特征.由于裂纹的周期分布,应力强度因子的大小取决于形状因子.结果表明,当裂纹间距趋于无限大时,退化为含单个中心裂纹正交异性纤维增强复合材料板的结果,并且所得的解析解能更好地体现裂纹的周期性.     

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.     

基于SBFEM的多裂纹问题断裂分析

多裂纹问题中的应力强度因子是断裂力学中需要计算的重要参数.在子结构法思想的基础上利用比例边界有限元法计算了弹性多裂纹问题的I型裂纹应力强度因子.对于多裂纹的弹性问题根据裂纹的数目确定相似中心的数目,在每一个子块内保持比例边界有限元法的特点.利用该数值技巧可以求解任意多裂纹问题的应力强度因子,数值算例表明该方法是有效且精确的.最后给出了正交各向异性材料双边非对称裂纹问题的计算结果,进而推广了比例边界有限元法的应用范围.     

复合材料Ⅰ+Ⅱ混合型周期平行裂纹尖端场

研究了裂纹面内均匀载荷作用下的正交各向异性复合材料板周期平行裂纹尖端场问题。利用复变函数方法,将力学问题化为偏微分方程边值问题。根据叠加原理,将偏微分方程边值问题化为Ⅰ型和Ⅱ型两个边值问题求解。在复数域内,利用双曲函数的周期性,通过构造适当的Westergaard应力函数,将周期平行裂纹尖端场问题化为单一裂纹尖端场问题。得到混合型周期平行裂纹尖端附近的应力强度因子和应力场的解析表达式。由于平行裂纹的周期性分布,应力强度因子的大小取决于形状因子。所得结果表明,当裂纹间距趋于无穷大时,应力强度因子退化为含单个中心裂纹时的结果,并且所得到的解析解更好的体现了平行裂纹分布的周期性。研究结果为结构和材料的强度设计提供了有意义的参考。     

各向异性复合材料周期性Ⅱ型裂纹尖端应力分析

对各向异性复合材料板的周期性Ⅱ型裂纹尖端应力场进行了有关的力学分析,通过求解一类线性偏微分方程的边值问题,引入Westergaard应力函数、采用复变函数方法及待定系数法,给出在无穷远处受对称载荷τ作用下,周期性Ⅱ型裂纹尖端的应力强度因子,推出了各向异性复合材料板周期性Ⅱ型裂纹尖端附近应力场的理论计算公式。     

裂纹群各向异性与同性各类边值应力强度因子的关系

本文采用复变函数方法和叠加原理,推导出带共线裂纹各向异性板各类边值问题的第一与第二类Fredholm积分方程,通过与各向同性体比较,得出了以下三个结论:Ⅰ.对第一类边值问题,只要裂纹面上作用平衡力系,则各向异性与同性体裂纹尖端应力强度因子完全相同;Ⅱ.各向异性体裂纹面第二类边值问题与各向同性体相应问题应力强度因子仅相差一常系数λ_0/λ;Ⅲ.对第三类混合边值问题,由应力边值产生的应力强度因子两材料相同,但由位移边值产生的因子则相差常系数λ_0/λ。最后,提出了求解具有奇性核积分方程组的数值方法,并给出了计算公式。     

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.     

正交异性压电双材料反平面界面端裂纹分析

在反平面无穷远处机械载荷和平面内电载荷共同作用下,运用复合函数法和待定系数法,分析了正交各向异性压电双材料反平面界面端裂纹,将反平面界面端断裂问题转换为求解偏微分方程组的边值问题,通过求解偏微分方程组,得到应力强度因子、电位移强度因子,并数值算例分析影响应力强度因子和电位移强度因子的因素。     

横观各向同性双压电板Ⅲ型界面裂纹力学分析

研究含界面裂纹的横观各向同性双压电材料板在反平面剪切载荷和平面内电位移共同作用下的裂纹尖端场问题。利用复变函数方法,引入含待定实系数的应力函数,借助边界条件和待定系数法,建立非齐次线性方程组。求解得到满足控制方程和边界条件的应力函数,推导得到双压电材料板Ⅲ型界面裂纹尖端的应力场、电位移场和应力强度因子、电位移强度因子的表达式。     

改进的求解应力强度因子的外插方法

分析了无限大板中求解应力强度因子的应力外插法的误差原因，发现靠近裂纹尖端的应力误差可以用简单公式近似表达，由此建议用修正应力外插法提高有限元方法求解应力强度因子的精度，并通过二维问题验证了它的有效性.结果表明，修正后可以较大地提高其精度.     

含裂纹胶接金属加筋板的Ⅰ型应力强度因子求解

借鉴纤维增强金属层板桥接应力求解模型的理论和方法建立了胶接金属加筋板桥接力的求解模型,利用叠加原理将含裂纹胶接加筋板的Ⅰ型应力强度因子的求解分为2种情况,即利用Swift的位移协调方法求解破损筋条和普通筋条作用下基板的应力强度因子,以及利用桥接力模型求解桥接筋条作用下基板的应力强度因子.同时,利用有限元法和相关文献的实验结果验证桥接力模型和应力强度因子求解方法的有效性.结果表明,所建立的桥接力模型能够快速求解桥接力和胶接加筋板的Ⅰ型应力强度因子.     

应力比对铝钢复合材料界面Ⅰ型裂纹应力强度因子的影响

以铝钢复合材料的Ⅰ型界面裂纹为研究对象,运用节点位移外推法求解复合材料Ⅰ型界面裂纹的应力强度因子,得到的应力强度因子通过节点位移表示.对应力强度因子进行有限元数值模拟,研究应力比和应力强度因子之间的关系.研究结果表明:在同一应力比条件下,应力强度因子随裂纹尺寸比的增大而增大;在同一裂纹尺寸比条件下,应力强度因子随应力比的增大而增大.     

一维六方准晶狭长体中非对称静态裂纹与快速传播裂纹的分析解

用复变函数方法求解了一维六方准晶弹性狭长体中含有一非对称半无限裂纹的反平面剪切问题,给出了Ⅲ型裂纹问题的应力强度因子的分析解,所得结果在一些特殊情形下可以退化为已有结果.对裂纹的动力学问题进行了研究,得到Ⅲ型动态应力强度因子的分析解,当裂纹速度V→0时,动力学解还原为静力学解.     

保角映射方法在各向异性板断裂分析中的应用

采用各向异性体平面弹性理论中的复势方法,引用适当的保角变换,研究各向异性板中穿透性直线裂纹的平面弹性问题。借助应力边界条件推出应力函数的表达式,得到Ⅰ型裂纹尖端附近的应力强度因子、应力场及位移场的解析解.     

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.     

改进的求解应力强度因子的外插方法

分析了无限大板中求解应力强度因子的应力外插法的误差原因,发现靠近裂纹尖端的应力误差可以用简单公式近似表达,由此建议用修正应力外插法提高有限元方法求解应力强度因子的精度,并通过二维问题验证了它的有效性,结果表明,修正后可以较大地提高其精度。