裂纹扩展过程的数值模拟

本文把基于广义虚功原理的多变量有限元模型的优势用于计及大位移的弹塑性断裂分析,并结合运用“可裂单元”的概念,构造了一种性能良好的模拟裂纹连续扩展过程的数值方法。算例表明,用本文算法能成功地予示裂纹的稳定扩展和失稳扩展过程。文中把临界有效应变作为裂纹扩展判据,并和其他一些扩展判据作了对比。     

不同断裂准则下铝合金冲压成形裂纹扩展模拟

使用自主研发的金属板材摩擦系数测试设备,在不同拉速、不同压力条件下,测试了6016铝合金板材在冲压成形过程中的变摩擦系数值和平均摩擦系数值。建立了铝合金板材胀型实验数值模型,模型中输入平均摩擦系数来考虑摩擦边界条件,分别选取成形极限图以及临界厚度减薄率作为铝合金板材断裂准则,采用有限元法对数值模型进行了求解计算,并对数值模拟计算结果进行了实验验证。对比分析发现,采用成形极限图作为模型断裂准则计算时,裂纹起裂位置及区域与实验结果有较大差异;采用临界厚度减薄率作为模型断裂准则计算时,裂纹起裂位置及形貌与实验结果吻合度较高。证明了本文研究所得的临界厚度减薄率准则可以用于预测铝合金板材在冲压成形过程中裂纹的产生及扩展问题。     

铝合金裂纹稳定扩展数值分析

应用FRANC2D/L对铝合金2024—T351板材Ⅰ型裂纹稳定扩展进行了数值计算,阐述了FRANC2D/L的分析方法及四分之一点奇异单元的特性;分析了临界COD判据在计算过程中的应用。通过实验与计算结果的对比分析,表明了FRANC2D/L为一可行、可靠的二维裂纹稳定扩展分析工具。     

弹性体裂纹扩展的数值模拟

采用位移不连续法（DDM）对裂纹的扩展进行了数值模拟,首先应用DDM求解了线弹性裂纹体的应力场,再采用最小二乘法确定应力强度因子并根据线弹性复合型断裂判据进行开裂判断,从而实现裂纹开裂的模拟,取得了与实验结果较吻合的数值计算结果,文中所用方法仅需在裂纹面上直接划分单元、对开裂部分直接追加单元来实现裂纹扩展过程的动态跟踪,其数值过程简便易行。     

直缝焊管裂纹扩展过程有限元数值模拟

采用扩展有限元方法,基于ABAQUS软件平台来模拟研究直缝焊管裂纹扩展过程,可以模拟出在内压作用下裂纹扩展的整个过程,得到裂纹扩展过程中裂纹尖端的应力云图以及裂纹尖端的应力场云图及应力强度因子;而对于多裂纹问题,能够通过数值模拟得出小裂纹扩展成大裂纹的整个过程.     

裂尖塑性区方向应变能裂纹扩展准则及数值模拟

在应用断裂力学和塑性力学对裂纹顶端的分析基础上,提出了裂纹顶端塑性区内方向应变能的概念,并建立了基于此概念上的裂纹扩展准则,模拟了复合型裂纹的扩展行为.在计算过程中,通过修改裂纹顶端与所在单元的节点间的连接关系,实现裂纹扩展的动态跟踪.该方法具有修改范围小,编程方便,可操作性强等特点.文中以单边尖锐缺口试样为算例进行了数值模拟,计算结果表明本文的方法是合理有效的.     

应力断料中裂纹扩展过程的数值模拟

从应力断料的需要出发,应用有限元软件FRANC2D/L对裂纹扩展过程进行数值模拟,分析了几何非对称试件中支撑的对称性对裂纹扩展路径的影响.研究结果表明,对于几何非对称试件,支撑对称时裂纹扩展路径在初期比较规则,后期出现偏离现象;调整两支撑的支距比,可以影响裂纹的扩展路径,支距比存在合理值,在合理值范围内,裂纹的扩展路径为沿双边V型切口的轴线方向.     

三维介质中复合型裂纹扩展的断裂准则

断裂准则是评定含裂纹构件或结构的工作状态是否安全的基准和依据。本文从三维介质中复合型裂纹问题的分析入手,考虑裂纹尖端小范围屈服区对裂纹扩展的影响,提出了描述三维介质中任意形状裂纹扩展规律的F₀准则和E₀准则。这两个准则均与现有的实验资料吻合得很好,而且还有一个较为突出的特点,即能反映Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ型复合裂纹和Ⅱ—Ⅲ型复合型裂纹中KⅢ对裂纹开裂角的贡献。这一特点是S准则^[1]、MG准则^[9]、C判据^[10]和W判据^[11]等一些断裂准则不具有的。     

岩石三维裂纹扩展问题的近场动力学数值模拟

近场动力学（PD）方法基于键的形式处理断裂问题,对裂纹尖端可自动追踪,因而在求解三维裂纹扩展问题时具备极大的优势,但该方法中也存在数值震荡与边界误差等问题。为解决上述问题,首先应用无网格伽辽金弱形式框架对非常规态基近场动力学方法进行了探讨;随后引入近场动力学微分算子（PDDO）近似,并对比分析了该近似与重构核粒子（RKPM）近似间的差异,提出了具备更高数值精度的RKPM-PD耦合算法,并给出了该算法的隐式迭代流程。最后,通过若干数值算例验证了该算法在求解三维裂纹扩展问题上的有效性。     

混凝土结构软岩大巷断裂过程非线性数值模拟

引入断裂力学原理,以某混凝土结构副大巷中复杂结构为研究对象,通过相似模拟实验和现场观测等手段对有关材料物理力学参数进行识别和修正,结合现场矿压观测结果和相似材料模拟试验结果,对该巷道内部应力破坏敏感部位的内力变形机理进行了系统的分析、模拟计算。研究结果对现场支护设计、维护加固和提高岩层稳定程度具有重要的意义。     

疲劳裂纹扩展前缘形貌分析及数值模拟

为研究疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘形貌的变化规律,按照试验标准设计2024HDT铝合金断裂韧度试验,获取疲劳裂纹前缘形貌,通过有限元仿真研究了裂纹前缘应力强度因子的分布规律,对裂纹前缘形状进行数值模拟。结果表明：贯穿厚度平面裂纹将首先由试样缺口根部的中心层部位启裂,裂纹前缘在疲劳扩展过程中由初始直裂纹演变为椭圆形前缘裂纹。     

钢轨表面裂纹扩展路径的数值模拟

通过采用有限元分析软件ANSYS对钢轨表面裂纹扩展路径进行模拟,在主裂纹尖端微小区域虚设出不同角度的次裂纹来计算出钢轨表面斜裂纹的扩展路径。仿真结果表明模拟的裂纹路径与实验得到的裂纹路径基本吻合。由此可知,用虚设的次裂纹计算裂纹的扩展方向是可行的。     

关于裂纹动态扩展的有限元模拟

本文采用有限元技术模拟线弹性脆性材料的裂纹动态扩展.并且在模拟过程中还采用了几个特殊技术.特别是文中给出了计算机程序框图,致使模拟技术更易理解.     

混凝土试件裂纹扩展及破坏过程的计算机模拟

运用一个材料破坏过程分析ＭＦＰＡ＾２Ｄ系统,研究了混凝土试件中的裂纹扩展及破坏过程。该方法认为宏观破坏行为是由于具有弹性一脆性特征的细观微元体不断破裂造成的。而造成微元体不断破裂的原因是策元体材料性质的非均匀性。本文根据骨科类型和考虑界面与否,分４种情况模拟了混凝土试件的变形与破坏过程并给出模拟结果及结果分析。     

页岩气储层水力压裂裂纹扩展数值模拟

针对页岩气储层的层状结构致使其水力压裂裂纹扩展不同于常规油气储层问题,采用粘结单元模拟实际的层状储层界面特性的数值模拟方法,建立页岩气储层水力压裂力学模型和反映岩体层状界面的破坏开裂准则,进行层状岩体水力压裂三维数值模拟.得到了储层应力场、孔隙压、裂纹面的损伤和张开度分布以及裂纹扩展的时空变化规律.     

平面微裂纹扩展过程的计算机模拟

运用二维Voronoi网络划分技术模拟了金属材料的多晶体结构,在此基础上,对二维微裂纹在多晶体结构中的扩展过程进行了计算机可视化模拟,并开发出相应的计算机模拟软件.模拟结果再现了微裂纹在各个扩展阶段的形状变化特征及扩展路径,为预测在一定载荷条件下、特定材料中微裂纹的扩展行为提供了一个有效的可视化的手段,同时还为三维微裂纹扩展过程及其行为的模拟奠定了基础.     

偏三点弯曲岩石试件中裂纹扩展过程的数值模拟

运用RFPA2D数值模拟方法,对偏三点弯曲岩石试样中裂纹的扩展路径进行了数值模拟·数值模拟结果表明:在加载过程中裂纹有失稳扩展过程;当预裂纹远离试件中心线时,裂纹的初裂纹角θc和峰值荷载增加,裂纹的失稳过程也更加明显·裂纹的扩展路径总体上遵循一定的规律,但由于岩石材料性质的非均匀性,局部的裂纹扩展呈现出曲折性·数值模拟结果与试验结果具有较好的一致性     

应用XFEM模拟研究钻杆裂纹扩展过程

钻杆裂纹扩展是一个典型的不连续问题,采用常规有限元方法难以实现裂纹扩展过程的仿真模拟,而扩展有限元法(XFEM)是近年来发展起来的分析断裂问题的一种有效方法。在介绍了扩展有限元法的基本原理的基础上,建立了基于XFEM的含不同深度初始裂纹的5in钻杆在拉力和扭矩共同作用下的裂纹扩展模型。通过钻杆裂纹扩展过程的分析后发现,钻杆的初始裂纹深度小于1mm时,裂纹不易扩展,但初始裂纹深度超过2mm时裂纹会在相对较低的外载荷下扩展,且扩展面较大并与初始裂纹面存在一定夹角,最终造成钻杆断裂失效。通过对钻杆裂纹的扩展过程仿真模拟,展示了XFEM在钻具断裂失效分析方面的独特优势,并为这方面的研究提供了一种新方法。     

镁合金零件压铸过程裂纹成因及数值模拟

薄壁镁合金件裂纹缺陷制约着其应用,其成因受多方面因素影响.通过虚拟仿真技术,考察了某薄壁镁合金件压铸充型凝固过程的温度场,凝固过程中产生的热应力,及其对裂纹成因的影响.通过数值分析得出AZ91D铸件裂纹的产生与铸件孔洞类缺陷及凝固收缩不一致产生的应力有关,分析结果与实验一致.以数值分析结果为依据,提出了改进方案.     

含三维内裂纹试件单轴压缩裂纹扩展机理及数值模拟

为了研究含三维椭圆内裂纹在压载条件下的裂纹尖端应力强度因子变化及裂纹扩展规律,基于裂纹尖端的应力状态,定义了应力集中系数函数δ,得到了裂纹前缘的转角θ和扭角Φ(分别对应裂纹的二型与三型破坏)随着裂纹前缘的变化规律.同时基于M积分与最大周向拉应变准则,计算出了裂纹前缘的应力强度因子及裂纹扩展规律,与室内试验成果进行对比,结果表明:裂纹的转角θ沿着裂纹前缘从长半轴到短半轴的过程中不断减小,裂纹的扭角Φ沿裂纹前缘不断增大;基于最大周向拉应变准则得出了椭圆裂纹压载条件下的裂纹扩展规律,并与试验结果进行了对比,解析规律及数值模拟规律与室内试验一致,验证了本文解析分析及数值分析的合理性.