三维切口/裂纹结构的扩展边界元法分析

在线弹性理论中,三维V形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解.本文提出和建立了三维扩展边界元法(XBEM),用于分析三维线弹性V形切口/裂纹结构完整的位移和应力场.先将三维线弹性V形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构.尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离r的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得.而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量.挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析.两者方程联立求解可获得三维V形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场.扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维V形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场.作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维V形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.