双轴压缩下闭合裂纹应力强度因子的解析与数值方法

采用"裂纹线应力场"分析方法,推导双轴压缩下有限岩板内闭合裂纹尖端应力强度因子的近似解析解,分析裂纹表面摩擦因数、侧压系数对裂尖应力强度因子的影响;运用有限元法对同一问题进行数值研究,并与解析解进行比较.研究结果表明:在岩体工程要求的精度之内,采用"裂纹线应力场"分析方法与有限元法这2种方法得出的结果基本吻合;裂纹长度a与岩板宽度W之比对裂纹尖端的应力强度因子有影响,按无限岩板情况计算裂纹尖端应力强度因子,其适用范围应有一定上限,即a/W≤0.2;当a/W>0.2时,应当考虑实际岩板的自由边界条件对裂纹尖端场的影响.     

裂纹应力强度因子的有限元计算

基于解析法和数值法,对有限长平板中存在的中心穿透裂纹,分析其附近的位移场、应力场分布,得到计算裂纹尖端的应力强度因子的公式。通过对求得的应力强度因子值与经验值的比较,表明本文给出的计算应力强度因子的方法具有较好的精度。     

玻璃钢套管Ⅰ型裂纹应力强度因子的数值计算

为研究含裂纹玻璃钢套管裂纹尖端应力强度因子,采用ANSYS软件建立了含中心裂纹玻璃钢套管的有限元模型,研究了玻璃钢套管长度、端面直径、裂纹长度及外载荷对裂纹尖端应力强度因子的影响.研究结果表明:可以采用有限元软件解决裂纹尖端应力场奇异性的问题,验证了使用位移外推法和J积分方法求解应力强度因子的正确性;当只改变一个参数时:裂纹尖端应力强度因子随裂纹长度变化呈线性增长;随着外载荷的增长,裂纹尖端应力强度因子呈正比关系增长;当试件长度与裂纹长度符合无限大平板假说时,采用位移外推法和J积分方法求解的应力强度因子与解析解基本一致.该成果对研究玻璃钢套管具有一定的参考价值和指导意义.     

钢纤维对混凝土裂纹尖端应力强度因子的影响

通过研究钢纤维混凝土裂纹尖端应力场和位移场,提出一种混凝土裂纹端部存在与其裂纹面相垂直的钢纤维力学分析模型.在分析钢纤维和基材混凝土在界面处的剪应力分布规律的基础上,建立了钢纤维混凝土裂纹尖端附近钢纤维与裂纹间的相互影响关系,并利用叠加原理推导出求解钢纤维裂纹强度因子的解析表达式.借助数值方法,给出钢纤维混凝土裂纹尖端应力强度因子的算例,并分析了钢纤维对混凝土裂纹尖端应力强度因子的影响.计算结果表明,钢纤维距裂纹尖端越近,其对混凝土裂纹尖端应力强度因子的影响越大,钢纤维能够控制混凝土裂缝的扩展,提高混凝土的抗裂能力,是靠钢纤维之间的桥联作用和混凝土与钢纤维之间较强的界面粘结作用.图3,参9.     

混合型应力强度因子的光弹性多参数测定

提高裂纹尖端应力强度因子值的计算精度,对于准确分析受力结构的起裂条件和破坏模式具有重要意义.本文采用3D打印技术获得了不含残余应力的平板模型,高精度打印预置裂纹避免了传统加工过程产生残余应力的缺点;综合考虑奇异场和非奇异场对裂纹尖端区域应力场的影响,引入远场边界控制的三个常数项应力,提出了光弹性多参数法;采用三点弯曲试验,运用最小二乘法计算了不同载荷下纯 Ⅰ 型和 Ⅰ-Ⅱ 混合型应力强度因子值,并与理论解对比分析.结果表明:对于纯Ⅰ 型应力强度因子,计算结果的平均误差为6.1%,对于 Ⅰ-Ⅱ 混合型应力强度因子,计算结果的平均误差分别为6.4%和5.5%,多参数法与理论解相比较小的计算误差验证了该方法的可靠性和准确性,可为精确计算应力强度因子的光弹性实验研究提供借鉴.     

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.     

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.     

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.     

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。     

一种确定应力强度因子的数值方法

文章基于奇异点附近的位移场和奇异应力场,提出了一种利用普通的数值分析结果确定单应力强度因子的数值方法和提高应力强度因子求解精度的结点选取方法。利用有限元软件MSC/Nastran对 型和 型平面裂纹问题进行了具体计算。计算结果表明,文章所提出的方法具有通用性强、精度高的特点,便于实际工程应用。     

带裂纹厚壁圆筒应力强度因子的几种计算方法

确定应力强度因子是断裂力学的重要内容。该文在考虑裂纹尖端应力应变奇异性的前提下 ,通过有限元的位移法和应力法分别计算了承受高压厚壁筒裂纹尖端处的应力强度因子 ,并且利用边界配置法的结果比较这 2种方法的精度。同时 ,还研究应力强度因子随裂纹深度和厚壁筒尺寸的变化规律     

Ⅰ型裂纹尖端圆弧对应力强度因子的影响

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。本文采用有限元法,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 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KⅠ-r0曲线,利用最小二乘法拟合至尖裂纹（r0=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     

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。     

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。     

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.     

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.     

复合型裂纹应力强度因子的有限元计算

介绍一种计算三维复合型裂纹应力强度因子的外推法,由于裂纹尖端的奇异性,该法采用退化的1/4节点奇异单元,通过近裂尖的几个节点进行应力强度因子的求解,然后根据这些应力强度因子拟合成直线,求得裂纹尖端的应力强度因子。     

平行双裂纹应力强度因子的计算方法

为了快速、方便地估算多裂纹尖端的应力强度因子,以承受均匀拉伸载荷的含平行双裂纹的有限平板模型为研究对象,提出了一种基于裂纹最大张口位移量确定平行双裂纹尖端应力强度因子的新方法.该方法以单裂纹问题中最大张口位移与应力强度因子间的函数关系为基础,考虑了平行双裂纹的垂向、纵向裂纹间距比和裂纹长度比的影响,拟合出纵向间距比为0时不同裂纹长度比下与垂向间距比相关的修正系数表达式,并进一步分析了裂纹纵向间距比对双裂纹尖端应力强度因子的影响,最终建立了平行双裂纹应力强度因子的简便方法.     

正交异性复合材料板星形裂纹的应力分析

研究了正交异性板中星形裂纹的平面弹性问题.采用复合材料断裂复变方法,选取适当的保角映射和特殊应力函数推出了裂纹尖端附近的应力场及Ⅰ型、Ⅱ型星形裂纹应力强度因子的解析解.     

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.