基于X-SBFEM的非线性断裂数值模型研究

从非线性断裂力学模型的角度,开展准脆性材料(混凝土)裂纹过程区的有效模拟,是当前的研究热点之一.扩展比例边界有限元法(X-SBFEM)兼有扩展有限元法(XFEM)和比例边界有限元法(SBFEM)两种方法的优势,利用SBFEM求解裂尖段应力奇异性问题,利用XFEM模拟非裂尖段位移场不连续.为在X-SBFEM中增加非线性断裂模型,提出采用sideface力的形式,基于黏聚力模型,通过线性叠加迭代法来模拟准脆性材料(混凝土)裂纹过程区.最后,以数值算例——单边缺口的三点弯曲梁和四点剪切梁——模拟裂纹过程区能量耗散影响,验证了所提方法的精度与应用效果.     

正交异性双材料裂纹与界面垂直时应力的奇异性分析

本文通过构造特殊的应力函数对正交异性复合材料裂纹与界面垂直的情形进行了研究. 得到了双材料裂纹与界面垂直时裂尖的特征方程,并对特征值进行了数值分析. 结果显示:应力具有幂次奇异性, 或没有奇异性.     

截锥面形界面裂纹尖端附近应力奇异性分析

扩展到界面的环裂纹偏离垂直界面的位置,就形成截锥面形界面裂纹,主尖端应力奇异性指数大小不仅依赖于两相材料常数α和β,同时也依赖于锥角的大小。据此利用渐近展开和分离变量相结合的方法对裂尖奇异性指数的变化进行了分析,结果表明,随着锥角和α,β的变化,会出现振荡奇异,当锥角为零,截锥面裂纹变为圆柱形界面裂纹。     

带裂纹功能梯度材料薄板SIFs分析的广义参数Williams单元

根据Williams级数位移场,仅考虑弹性模量E为坐标的函数,通过改变裂尖奇异区微单元刚度集成方式,推导建立了功能梯度材料薄板平面断裂分析的广义参数Williams单元新格式.结合含中心斜裂纹和边界裂纹的功能梯度材料薄板,分析了弹性模量E的分布形式、裂纹倾角及裂纹长度对裂尖应力强度因子的影响.算例结果表明:该方法能够直接且高效求解带裂纹功能梯度材料薄板的裂尖应力强度因子;当弹性模量E呈单调变化且其梯度与荷载方向平行或垂直时,分别会使中心斜裂纹两个裂尖的I型或II型应力强度因子值产生差异,而应力强度因子随裂纹倾斜角度的分布规律并不受弹性模量E的分布形式影响.     

非线性复合材料层板分层屈曲及后屈曲分析

基于修正的HahnTsai非线性本构关系,用准三维有限单元法分析了材料非线性对对称角铺设复合材料层板分层屈曲、后屈曲以及能量释放率的影响,提出一种修正的反幂法计算材料非线性层板的临界载荷·与不考虑材料非线性结果比较表明:材料非线性使复合材料层板的屈曲载荷降低,降低幅度与分层长度和纤维铺设方向有关;能量释放率及其组分均有不同程度增加;后屈曲变形加快,裂尖层间应力奇异程度下降·     

Mooney-Rivlin材料Ⅰ型裂尖场的有限元分析

运用大型通用有限元软件ANSYS分析了平面应变情况下某橡胶材料Ⅰ型裂纹尖端的变形和主应力分布。数值结果表明：在裂尖附近不仅存在应力奇异性,而且变形存在扩张区与收缩区;较大的主应力σ1是拉应力,比另一个主应力σ2高约两个数量级,所以σ1对裂尖附近的变形起主导作用,其方向和裂纹方向接近垂直;在(R, )坐标系中观察应力奇异性,则扩张区与收缩区内σ1具有相同的奇异性。     

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·     

正交异性双材料裂纹尖端应力强度因子振荡性分析

在正交异性双材料界面裂纹的理论解的基础上,进一步探讨分析了正交异性双材料界面裂纹尖端应力强度因子的振荡奇异性;并通过实例讨论了双材料弹性常数对应力强度因子奇异性的影响.这个结论对今后相关课题的研究提供了新思路,具有较好的参考价值.     

含界面裂纹压电体界面上作用位错和集中载荷的基本解

研究了压电体双材料界面上的裂纹与位错、集中载荷的相互作用,得到了问题的闭合解,包括应力－电位移场、裂纹张开位移和电势差,结果表明,在界面上的位错和集中载荷作用下的压电体双材料界面上的裂纹裂尖近区仍具有ｒ＾－１／２＋ｉε的振荡奇异性,并求得了裂尖应力强度因子和集中载荷作用下的权函数的显式。     

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。     

损伤材料中扩展裂纹的应力场

利用Ｇｕｒｓｏｎ本构理论，导出了损伤材料在平面应力条件下准静态定常扩展Ｉ型裂纹近裂纹线应力场和裂纹前方塑性区尺寸的解析表达式。研究结果表明：随着材料损伤量的增加，裂纹尖端处应力降低；裂纹尖端处应力不存在奇异性；裂纹前方塑性区尺寸受材料损伤程度的影响。     

平面V形切口塑性应力奇异性分析

研究幂硬化塑性材料V形切口和裂纹尖端区域的应力奇异性.首先在切口和裂纹区域采用自尖端径向度量的渐近位移场假设,将其代入塑性全量理论的基本微分方程后,推导出包含应力奇异指数和特征函数的非线性常微分方程特征值问题.然后采用插值矩阵法迭代求解导出的控制方程,得到一般的塑性材料V形切口和裂纹的前若干阶应力奇异阶和相应的特征函数.通过两个算例给出了前若干个阶的应力奇异指数和特征函数,表明文中方法计算一般塑性材料V形切口和裂纹应力奇异性的精度和有效性,并对一般塑性材料V形切口和裂纹的奇异应力特征进行了讨论.     

正交各向异性功能梯度材料中的运动裂纹

针对无限大正交各向异性功能梯度材料中Yoffe型运动裂纹受反平面剪切载荷的动力学问题,假设材料两个方向剪切模量均采用双参数任意次幂函数模型,采用积分变换-对偶积分方程方法,求得裂纹尖端动态应力场和位移场以及动应力强度因子.借助Matlab软件研究裂纹运动速度和梯度参数以及材料不均匀系数对动应力强度因子的影响.结果显示裂纹尖端应力同均匀材料一样具有奇异性;无量纲动应力强度因子随裂纹运动速度的增大而减小,随梯度参数的增大而增大.     

双材料界面裂纹奇异性及应力强度因子

研究了正交异性双材料半无限界面裂纹问题。通过引入含有复奇异指数的新应力函数,利用复变函数方法将界面裂纹问题转化为求解一类广义重调和方程的边值问题,推出正交异性双材料界面裂纹尖端应力具有四种奇异性。并建立了四种奇异性下给定载荷条件时界面裂纹尖端应力强度因子的计算公式。通过算例验证了四种奇异性的存在性。     

压电材料平面电渗透裂纹的机电耦合场

用复变函数方法,结合椭圆形夹杂内的电场强度和电位移为常量这一早期研究结果,研究了压电材料平面电渗透裂纹的机电领事声援主其奇异 。解答表明,切向电场强度和法向电位移在裂纹尖端有由机械载上起的奇异,而与电载荷无关,应力强度因子与纯弹性材料结果一致。     

两种材料的界面裂纹尖端场分析

均质各向同性弹性含裂纹固体在外载荷作用下裂纹尖端场表现出奇异性。由两种弹性材料组成的界面裂纹结构,除表现出奇异性外,随着向裂纹尖端靠近,裂纹前方出现应力振荡特性和裂纹表面的相对位移相互嵌入现象。本文从破坏力学的角度对有关问题进行了分析讨论,并给出了适当力学模型的有限元法算例。     

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。     

广义T应力对裂纹应力强度因子的影响

裂纹尖端的奇异应力场可以表达为Williams级数展开的形式,其中常数项(即T应力项)和非奇异项对裂纹尖端的应力应变场有着很大的影响,这些影响反过来作用于裂纹应力强度因子的计算.将T应力项和非奇异项合称为广义T应力,提出一种用特征分析法和边界元法配合求解广义T应力的新思路,可以根据需要任意选取广义T应力的项数,进而研究广义T应力对应力强度因子计算的影响.结果表明,考虑广义T应力项的应力强度因子计算结果与实验结果更加接近.