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.     

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.     

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。     

三维声场问题边界元法中几乎奇异积分的正则化

针对三维声场边界元分析的几乎奇异积分问题,将基本解中三角函数进行Taylor级数展开,分离奇异部分和非奇异部分.采用一种半解析正则化算法,计算了近边界点几乎奇异面积分,非奇异部分仍然采用Gauss数值积分,从而克服奇异积分障碍.该算法适用于三角形线性等参元,对高次单元将其细分为几个三节点三角形单元即可应用该算法.对三维声场内问题和外问题算例,计算了近边界点的声压,数值结果证明了该算法的有效性和准确性.     

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.     

边界元法计算声辐射时几乎奇异积分的处理方法

针对边界元法中几乎奇异积分计算难题,本文提出一种基于6节点三角形等参数单元的三维高阶单元半解析算法.通过对三维声场基本解中的三角函数进行T a y l o r级数展开,分离出基本解中的奇异积分项.根据单元的几何特性,构造出与奇异积分核函数具有相同奇异性的近似奇异核函数,对奇异积分项应用扣除法,将奇异积分核函数分为规则核函数和近似奇异核函数两项.规则核函数积分无奇异性,应用常规G a u s s数值积分就能够准确计算;近似奇异核函数积分由导出的半解析公式计算,即在局部极坐标系ρθ下分离积分变量,导出对变量ρ积分的解析计算列式,应用常规G a u s s数值积分计算变量θ积分,从而建立一种三维声场边界元法几乎奇异积分的半解析算法.算例结果表明,本文高阶单元半解析算法比双线性元算法更加有效且算法稳定,能够有效、准确地计算距离单元非常近的近边界点处的声压.     

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.     

三维弹性体边界元常单元的精确积分计算

边界元方法中的边界积分计算影响计算精度和计算速度.当采用常单元计算时,非奇异积分一般采用数值积分,奇异积分采用精确积分法.文章采用积分区域变换和高斯公式,将三维弹性问题的二维积分化为一维积分,使常单元奇异积分和非奇异积分都能采用精确积分的方法计算.实例计算结果表明,此算法能使边界积分的求解精度和计算速度都得到提高.     

裂纹跟踪的网格生成技术

讨论了自适应有限元模拟裂纹扩展的网格生成技术,通过修改裂纹周围单元的形状及单元间的邻接关系,实现网格动态划分对裂纹扩展进行跟踪,本方法具有修改范围小,可实现性强,无须修改单元类型等优点,算例表明,所提的算法是有效的。     

圆筒表面椭圆裂纹应力强度因子的数值研究

为解决用有限元方法进行三维裂纹问题分析时的难点,通过在裂纹前沿设置奇异单元,建立了圆筒表面椭圆裂纹的断裂力学有限元分析模型;通过Visual Basic对ANSYS的封装调用,编制了便于工程化应用的圆筒表面椭圆裂纹应力强度因子自动分析软件AutoSIFA;运用该软件得到了弯扭载荷作用下圆筒表面椭圆裂纹应力强度因子的变化规律,绘制了裂纹最深点应力强度因子形状修正系数F1的曲线图谱,并拟合出了便于工程应用的相关公式.     

三维表面半椭圆裂纹应力强度因子计算

该文利用三维表面半椭圆裂纹应力应变场解答在裂纹尖端构造奇异应力元,奇异元外围划分常规的位移元,应用分区混合有限元法计算裂纹尖端不同位置处的应力强度因子。     

V形切口奇应变三角形单元

本文根据V形切口尖端应力奇异规律,提出了计算切口断裂问题的V形切口奇应变三角形单元.该单元能反映切口的两种奇异性.当切口闭合成裂纹时,这种单元就演变成具有1/2奇异性的裂纹奇应变三角形单元.因此本文提出的奇应变单元是裂纹奇应变三角形单元的推广.用本文提出的特殊单元计算V形切口应力强度因子时,对不同的受力情况,当单元尺寸为切口深度的1/3至1/6时,即可满足实用精度要求.     

奇异热流密度场的数值分析(Ⅰ)——热传导特征解问题

为得到用于分析奇异热流密度场的高效的有限元列式,针对不同材料中界面裂纹尖端的扇形区域,推导出二维热传导特征解问题的基本方程和边界条件的弱形式．利用特征方程展开方法,可获得分析裂纹尖端处二维热传导特征解的一维有限元列式．该列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后得到一个二次特征根矩阵的总体方程．求解该方程可得到二维热传导问题的特征解．数值计算表明,该方法可高效准确地求解奇异热流密度场特征解．     

奇异热流密度场的数值分析(I)——热传导特征解问题

为得到用于分析奇异热流密度场的高效的有限元列式,针对不同材料中界面裂纹尖端的扇形区域,推导出二维热传导特征解问题的基本方程和边界条件的弱形式.利用特征方程展开方法,可获得分析裂纹尖端处二维热传导特征解的一维有限元列式.该列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后得到一个二次特征根矩阵的总体方程.求解该方程可得到二维热传导问题的特征解.数值计算表明,该方法可高效准确地求解奇异热流密度场特征解.     

边界元计算厚壁筒内外表面裂纹应力强度因子

本文研究了计算半随圆表面裂纹应力强度因子的边界元方法.文中提出了奇异等参元的合理布置,计算了内壁和外壁具有半椭圆表面裂纹圆筒的应力强度因子.     

功能梯度材料中裂纹问题的边界元分析

采用基于边界元方法的广义Kelvin解对功能梯度材料中的裂纹问题进行了研究，主要在对裂纹的评价中采用了多域法和八节点面力奇异边界单元，并采用层离散化方法用来近似功能梯度材料，计算出了不同条件下功能梯度材料中币形裂纹的应力强度因子。     

三维疲劳裂纹扩展仿真技术研究

应用参数化、模块化有限元建模技术和接触技术仿真半椭圆表面裂纹（前缘曲线和节点）,提出了在裂纹前缘形成辐射状奇异单元网格的建模方法和采用有限元接触技术来施加裂纹模型边界条件的方法,实现了裂纹前缘奇异应力场和裂纹模型远场应力的模拟,建立了三维块体初始半椭圆表面裂纹多自由度扩展仿真模型．通过裂纹前缘离散点的正交扩展和拟合得到裂纹扩展前缘形状,使裂纹扩展更加具有自由度．提出了裂纹前缘拟合误差控制扩展步长的方法,使裂纹扩展过程中扩展步长可变．采用参数化、模块化建模技术建立了扩展裂纹模型,实验与仿真结果的比较表明两者基本吻合,说明本文所采用的方法具有很好的实用性．     

数值外插法求解K因子的插值基础及误差估计

文章介绍了传统的蜕化奇异等参元法和一种新型数值外插法求解裂尖应力强度因子(K因子)的基本过程,讨论了两种方法插值基础的显著区别.结合平面应力裂纹问题对数值外插法的线性插值基础进行了论证.在此基础上,研究了两种方法的理论误差,发现该文提出的数值外插法比传统的蜕化奇异等参元法精度高一阶.并且数值外插法能以一定的方式决定不同裂纹问题的最优的裂尖单元尺寸.     

位势问题边界元法中几乎奇异积分的完全解析算法

导出了一种完全解析积分算法，用这种算法计算了平面位势问题边界元法中近边界点的几乎奇异积分。当内点离某单元较远时，保持常规高斯积分模式；而当内点离某单元较近时，因常规高斯积分结果失效，用本文的完全解析积分取代常规高斯积分．该算法适用于线性插值计算，对二次元，可将近边界点附近的二次元分解为两个线性元，该算法同样有效。算例证明了本法的有效性和精确性。二次元计算结果比线性元计算结果更精确。     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子影响的数值研究

应力强度因子表征了裂纹尖端奇异应力场的强度,它是研究裂纹扩展规律和带裂纹构件强度的基础。采用有限元法,对受均布荷载作用存在边缘Ⅰ型裂纹的平面板进行了数值分析。研究了裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响,分别计算了具有不同裂尖圆弧r_0的Ⅰ型裂纹的应力强度因子。采用应力法计算不同半径处的表观应力强度因子,插值到裂尖圆弧而得。根据计算结果,绘制K_Ⅰ-r_0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹(r_0=0)即得理想尖裂纹的应力强度因子,与解析解相差仅0.7%。该曲线为带圆弧裂纹的应力强度因子测试和带圆弧裂纹构件强度计算提供了依据。