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.     

复合裂纹的应力强度因子有限元分析

讨论裂纹尖端的应力应变与应力强度因子的关系,建立计算复合型裂纹应力强度因子的有限元方法,应用有限元分析软件ANSYS计算Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的应力强度因子以及裂纹尺寸和载荷对应力强度因子的影响。研究结果表明:ANSYS解与解析解很接近,误差很小,验证了复合裂应力强度因子计算方法的有效性;ANSYS解在裂纹较大和较小时误差相对较大,这主要与划分网格的精度有关,裂纹较大时网格不够密,裂纹较小时网格产生变形的影响,可以通过增加网格精度来减小计算误差。     

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.     

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.     

平板断裂问题的多尺度扩展有限元法

采用渐进弯曲奇异函数和跨过裂纹面的不连续函数,加强常规的位移逼近空间,从而使计算网格独立于裂纹,建立了贯穿裂纹Reissner-Mindlin板的多尺度扩展有限元法。在裂纹附近区域采用小尺度网格,其他区域采用大尺度网格。在计算代价不大的情况下,考虑大型结构中小裂纹的存在或者提高裂纹附近的精度。所有尺度单元都采用四结点四边形板单元,四边形任意结点板单元连接不同尺度单元。用互作用积分法计算裂尖应力强度因子,算例分析检验了本文方法的精度和有效性。     

基于相互作用积分方法的裂纹扩展分析

使用传统有限元方法对裂纹扩展问题进行分析时,裂尖奇异性是首先必须要面对的问题,其次裂纹扩展的方向、长度与模型的网格密切相关.本文通过建立一个不完全依赖于网格的模型来分析裂纹扩展问题,利用相互作用积分方法来求解裂尖参数,积分方法可以一定程度上消除奇异性影响,从而避免了裂纹尖端的奇异性对网格划分的苛刻要求.采用相互作用积分法则求解裂纹尖端的应力强度因子,由最大周向拉应力理论来判断裂纹的扩展方向.模拟裂纹扩展的过程中,只对涉及扩展区域的网格进行重新剖分来获得最终的扩展路径以保证计算的精度.最后通过I型裂纹扩展、带孔板裂纹扩展及受压裂纹扩展等几个典型算例与参考文献进行对比,证实了本文方法具有良好的可靠性,并展示了在多种破坏模式下方法的适用性.     

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。     

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.     

基于扩展有限元的应力强度因子计算精度研究

应力强度因子(Stress intensity factor,SIF)是判断已有裂缝是否扩展的物理量,其计算精度对地裂缝扩展模拟具有重要影响.基于扩展有限元的互作用积分法是一种常用的计算开裂问题应力强度因子的方法,其数值积分中的权函数通常为平台型或金字塔型,但目前对权函数的选取以及权函数对应力强度因子计算的影响研究得很少.针对不同形式的权函数提出了统一的计算公式,并引入权函数因子来进一步控制权函数的具体形式;提出了非平台型的权函数的修正方法,以提高应力强度因子的计算精度;讨论了权函数因子以及积分区域因子对应力强度因子计算精度的影响,并通过算例进行了计算.结果表明,当积分区域因子为3～5,采用修正的权函数且权函数因子取1～3时,应力强度因子的计算精度最高.     

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。     

基于ABAQUS_XFEM的楔形预裂纹应力强度因子有限元计算分析

机械设备的破坏断裂和裂纹扩展是密切相关的,造成裂纹扩展的原因复杂多样,但是主要归结于裂纹尖端在非常小的区域内的应力、应变场的变化以及微观结构的损伤。但由于三维断裂问题是复杂的不连续问题,给应力强度因子的求解造成一定的困难。基于ABAQUS平台,应用XFEM方法对楔形预裂纹的扩展过程进行分析,在建模过程中设置了稳定粘性系数、增加重复迭代次数及提高初始损伤公差,来提高计算收敛性。模拟出楔形裂纹模型在不同网格密度、裂纹长度、模型厚度等条件下的裂纹扩展情况,并得到各条件下的应力强度因子,并与国标中楔形裂纹模型理论值进行对比,得出各数值模拟值与理论值误差在4%以内,满足计算精度要求。结果表明:可以通过添加合适的损伤稳定粘性系数、增加迭代次数、减小迭代步长、提高初始公差来提高计算收敛性,使用扩展有限元法能够有效的模拟开裂过程,无需对网格进行细化即可获得精确求解,节省计算时间。并可对各模型尺寸和裂纹长度进行模拟,为解决实际问题提供了思路和方法。     

岩石断裂力学的扩展有限元法

针对岩石材料的断裂力学问题阐述扩展有限元法的单元位移模式的选择、确定平面裂纹空间位置的水平集法和特殊单元的数值积分方法。介绍最大周向应力裂纹扩展判据和计算应力强度因子的相互作用积分法,进而建立岩石断裂力学的扩展有限元法。建立Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的岩石断裂力学的扩展有限元计算模型,对I裂纹的应力强度因子和Ⅱ型裂纹的裂纹扩展路径进行扩展有限元法数值模拟计算。结果表明,建立的岩石断裂力学扩展有限元法可对岩石材料的断裂力学参数和裂纹扩展路径进行数值模拟分析,验证了数值计算结果的合理性,能有效地描述岩石断裂力学特性。     

传统断裂力学参量在TBCs界面断裂中的可行性分析

通过对TBCs/Q345涂层试样进行拉伸强度测试试验,并结合有限元模拟计算,对复应力强度因子K及J积分用于评定TBCs涂层界面断裂问题的可行性进行了分析.通过采用应力计算法计算涂层界面裂纹的复应力强度因子K,发现在裂纹尖端区域存在一个K主导的弹性区域,可以说明K因子有效,可用于评价脆性涂层的界面断裂问题;而通过有限元方法得到的J积分分布很不均匀,表明J积分不适于评价涂层的界面断裂问题.     

一种自适应影响域半径无网格Galerkin法的应用研究

文章在背景积分网格积分方式的基础上,采用基于最小移动二乘近似的一种自适应影响域半径无网格Galerkin法,运用线弹性断裂力学理论,对有限板单边裂纹的应力强度因子进行了分析.由于该方法仅需节点信息,而不需要节点的连接信息,从而避免了有限元方法中的网格重构,大大简化了裂纹扩展的分析过程.数值计算结果表明了该方法的有效性.     

埋藏裂纹应力强度因子的有限元分析

采用三维奇异单元模拟裂纹前缘应力应变场的奇异性,建立了计算球形压力容器中埋藏裂纹应力强度因子的有限元模型,有限元分析结果和经验公式计算结果吻合较好,证明所建有限元模型具有较高的准确性和可靠性。通过仿真计算,分析不同因素对应力强度因子的影响,得出了裂纹前缘应力强度因子随裂纹形状、容器壁厚以及裂纹中心与壁厚中心的偏移量与壁厚比值的变化规律。     

网格技术对应力强度因子计算的影响

阐述了FRANC3D计算应力强度因子（SIF）的原理,研究了FRANC3D网格划分技术对计算裂纹SIF精度的影响。将数值计算结果与理论结果进行比较,表明裂纹面的网格疏密对计算精度影响很大,尤其是当裂纹边缘后的第一行网格节点越接近裂纹边缘时计算精度提高越快;而外部（除裂纹面之外）的网格疏密对计算精度影响不大。此外,单元采用的形函数对计算结果也有影响。     

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.     

MSC.Patran中能量法计算断裂力学参数的应用

本文介绍了有限元中能量法,包括虚拟裂纹闭合法（VCCM）及等效区域J积分（EDI）计算线弹性断裂力学参数的思路;使用PCL语言在MSC.Patran中开发了能量法计算应力强度因子的模块,该模块可用于任意二维线弹性断裂力学参数的求解,最后通过算例验证了该模块的计算结果,并讨论了网格对计算精度的影响。     

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．     

基于ANSYS的应力强度因子计算

以I型裂纹的3点弯曲试件为例,介绍和分析了运用有限元软件ANSYS计算应力强度因子的方法.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.