三维表面裂纹应力强度因子参数敏感性有限元分析

三维表面裂纹是许多工程结构中普遍存在的一种缺陷,无论是在损伤容限设计或缺陷评估阶段,人们都要求对裂纹的应力强度因子进行精确的估计,这一参量对裂纹的预测和剩余疲劳寿命的估计起到至关重要的作用。借助有限元软件Abaqus和断裂力学软件Franc3d建立三维半椭圆表面裂纹实体模型,依据断裂力学相关知识,采用M-积分法,对含有表面裂纹的模型进行数值模拟,研究了模型在不同裂纹形状比(a/b=1.5、1.36、1.25和1.15)以及裂纹倾角(θ=0°、15°、30°和45°)下的裂纹扩展情况和应力强度因子参数敏感性。主要研究内容与结论如下:裂纹形状比a/b越大,应力强度因子越小,应力强度因子分布形貌由“凹”向“凸”转变;裂纹倾角达到0°时,裂纹深处应力强度因子最大,裂纹更容易扩展,随着裂纹倾角(0°、15°、30°和45°)的增大,应力强度因子逐渐减小。

三维裂纹应力强度因子数值计算

利用无网格Galerkin方法对三维裂纹问题进行分析。基于最小二乘法的无网格方法仅需一系列节点信息就可构成物体的离散模型。在无网格Galerkin方法中,位移边界条件不包含在内,因此,在边界已知位移方向上设置一系列弹簧来满足无网格方法的本征边界条件。弹簧的一端与已知位移的物体表面固连,而另一端固定,把计算位移与已知位移的误差作为弹簧的变形量。弹簧作为弹性体的一部分,弹簧的变性能也是弹性体应变能的一部分。裂纹使得弹性体具有不连续性,对体内节点具有隔离作用。用可视准则处理裂纹面对影响域内Gauss点的隔离作用。提出简单有效的方案,确定可变的节点影响域,这一方案可以保证体内每一个节点影响域内的节点数为一给定的常数,通过限制影响域内最小二乘计算的大小,提高计算近似函数的效率。利用三维间断位移法计算三维裂纹前缘的应力强度因子,计算有限体内边界贯穿平置裂纹和边界非贯穿平置裂纹的应力强度因子。无网格Galerkin方法的计算结果与前人研究的结果吻合很好,这可为三维裂纹的扩展追踪提供参考。

三维裂纹应力强度因子的有限元计算分析

在大型有限元工程软件ANSYS中,对于裂纹应力强度因子的二维计算已经有了比较完善的方法[1]。但在对三维裂纹的应力强度因子求解问题上目前所采用的方法主要是靠人工手动地生成节点,然后再生成单元和结构。这种方法工作量大,不利于结构程序化,特别是对复杂结构更为难以实现。本文利用三维实体建立计算模型,对模型进行独特的局部网格划分,以孔边角裂纹为例阐述了在ANSYS中,三维裂纹应力强度因子计算分析的简捷方法。并将计算结果和现有理论结果进行对比分析,其计算精确程度完全满足工程要求[2]。

工程结构三维疲劳裂纹最大应力强度因子计算

介绍了裂纹的类型、裂纹尖端应力场的奇异性。以一维问题为例,推导论证了奇异单元能够很好的反映裂纹尖端应力场的奇异性。应力强度因子一般表达式表明应力强度因子与载荷呈线性关系,并依赖于物体和裂纹的几何形状和尺寸。本文借助大型通用有限元软件ANSYS,采用位移外插法计算了三维表面裂纹前沿不同位置处的应力强度因子,并与《应力强度因子手册》基于实验的理论公式计算结果相比较。结果表明:有限元结果与理论解误差较小,裂纹最深处应力强度因子最大。

U肋对接焊缝三维疲劳裂纹应力强度因子分析

U肋对接焊缝处易出现疲劳裂纹,为了分析该部位裂纹体应力强度因子对各关键参数的敏感程度及其简化计算公式,以港珠澳大桥为背景,利用ANSYS有限元软件,逐步建立了该桥正交异性钢桥面板U肋对接焊缝处三维半椭圆形裂纹体的精细化仿真分析模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法计算半椭圆形裂纹体应力强度因子,进行系统的参数分析,探讨了应力强度因子随各关键设计参数的变化规律,并根据有限元分析结果得出了应力强度因子计算公式。结果表明:应力强度因子对裂纹前缘位置和裂纹深度较敏感,而对顶板厚度、U肋厚度及U肋顶板宽度的敏感性较弱,基于响应面法得到的拟合公式计算应力强度因子具有较高的计算精度。

用推广的片条合成法求解工程复杂结构三维裂纹应力强度因子

应用推广的片条合成法 ,计算工程复杂结构三维表面裂纹的应力强度因子 ,并分析和讨论拟合片条位移鉴定点的取法对应力强度因子的影响。同时 ,得到具有工程参考价值的计算公式。

基于三维有限元解的紧凑拉伸试样应力强度因子计算公式

对标准紧凑拉伸(CT)试样的二维和三维应力强度因子有限元解进行了对比分析,基于三维有限元虚拟裂纹闭合法拟合了一种新的标准CT试样的应力强度因子计算公式,并采用ANSYS软件内嵌位移外推法进行了验证。结果表明:基于二维分析所得的应力强度因子计算公式计算结果与实际三维CT试样的具有较大的差异;在加载孔等效分布力一定的条件下,CT试样裂纹前沿大部分区域的应力强度因子与中心点的相近,且与厚度无关;拟合得到的三维CT试样裂纹前沿中心点的应力强度因子计算公式具有很高的精度,其计算结果与ANSYS软件内嵌位移外推法的相对误差在0.5%以内。

复合型三维裂纹应力强度因子计算方法的研究

对单元初始应力法应用于复合型三维裂纹问题进行了研究。基于有限元分析技术,利用近裂尖退化的1/4节点奇异单元最佳应力点的应力和坐标,对含有内埋倾斜圆形复合型三维裂纹的圆柱体在远场均布拉伸应力作用下的应力强度因子进行了计算。结果表明,与解析解相比,单元初始应力法计算的KI的最大相对误差为1.44%,KⅡ的最大相对误差为-2.30%,KⅢ的最大相对误差为-1.22%。单元初始应力法对于复合型三维裂纹应力强度因子的计算具有较强的实用性,且计算精度高。

用杂交有限元法计算三维裂纹的应力强度因子

根据放松了连续性要求的修正势能原理及裂纹尖端的应力、位移场，推导了杂交单元的单元刚度矩阵。用杂交元法计算了纯扭转载荷下带有环形裂纹的圆柱体的应力强度因子。计算结果表明，这种计算方法具有较高的精确度。用杂交元法计算了裂面上作用有弯、切、扭载荷试件的应力强度因子，这类试件可用于进行三维断裂准则的实验研究。

飞机典型复杂结构三维裂纹应力强度因子的片条合成法求解

通过片条合成法的推广使用 ,计算出耳片厚板凸台两种工程典型复杂结构三维裂纹的裂尖应力强度因子 ,得出有工程实用价值的计算公式。

使用焦散线法与光弹法测定三维裂纹混合型应力强度因子

本文介绍了将焦散线法与应力冻结，“解冻”技术相结合，使焦散线法用于测量三维体内部裂纹前缘应力强度因子的实验方法，并针对复杂应力状态下三维裂纹前缘的不同应变奇异场，合理地综合运用焦散线法与三维光弹法，实际测量与分离了三维裂纹前缘混合型应力强度因子。

三维界面裂纹的奇性应力场和应力强度因子分析

使用有限部积分概念和极限方法得到了三维平片界面裂纹的超奇异积分微分方程组后，进一步利用二维超奇异积分主部分析方法，对裂纹前沿的应力场作了理论分析，并获得了其奇性应力场和以裂纹面位移间断表示的复应力强度因子的精确表达式．为三维平片界面裂纹的超奇异积分微分方程组的求解建立了数值方法，并分析了界面椭圆平片裂纹问题，和现有解比较。

干涉预应力释放对三维裂纹尖端应力强度因子的影响研究

以冷挤压孔三维裂纹为讨论对象,应用ANSYS大型工程有限元计算软件,在线弹性条件下,模拟由于干涉产生的预应力释放的真实过程,研究预应力释放对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。文中将干涉预应力考虑为内部载荷,分别对不同裂纹长度下的含裂纹体进行挤压,在不同的挤压状态下直接求解应力强度因子,以此等效地模拟裂纹扩展过程中干涉预应力释放的应力强度因子求解。文中通过计算分析,给出了考虑干涉预应力释放的真实情况下裂纹尖端的应力强度因子随裂纹长度及模型厚度的改变趋势和规律,并与不考虑干涉预应力释放的情况下裂纹尖端的应力强度因子进行对比分析。

一种计算三维裂纹应力强度因子的新方法

构造了一种新的三维奇异单元,提出了一种有效计算三维裂纹应力强度因子新的数值方法。该方法的计算结果与理论解和Newman解结果一致;与Panson等方法相比所使用的自由度数大大减小。结果表明该方法是一种高效、稳定可靠的计算方法。

塑性区阻止效应对三维裂纹应力强度因子的影响研究

在应用片条合成法计算三维裂纹尖端应力强度因子基础上,推导了在小范围屈服情况下考虑塑性区影响时三维裂纹尖端应力强度因子的求解公式,讨论了塑性区大小对裂尖应力强度因子的影响,其中重点考虑了塑性区对裂纹发展的阻止效应.通过对结果进行分析和讨论,给出可供工程应用参考的依据.计算结果表明,在考虑了塑性区对裂纹发展的阻止效应后,大多数情况下塑性区修正使应力强度因子比未考虑塑性区修正的应力强度因子要小7%～30%.

典型耳片接头三维Ⅰ型裂纹应力强度因子研究

在二维有限元分析的基础上,得出了典型耳片接头的二维应力强度因子修正系数;进行了典型耳片接头的三维弹塑性接触有限元模型的仿真分析,引入了耳片厚度修正因子,并结合二维应力强度因子修正结果与三维有限元应力强度因子仿真结果对耳片厚度修正因子进行了拟合,得到了典型耳片接头的三维Ⅰ型裂纹应力强度因子表达式。最后,结合相应的剩余强度试验对应力强度因子表达式的准确性进行验证,结果表明,该应力强度因子计算公式准确性较高。

埋头紧固件椭圆形表面裂纹应力强度因子的三维有限元分析

采用裂端为 2 0节点奇异单元的三维有限元模型 ,对工程中常见的 90°、10 0°、12 0°埋头紧固件埋头部分与直杆部分相交处的表面裂纹 ,以及直圆杆表面裂纹的应力强度因子进行了计算分析。给出了圆直杆以及 90°、10 0°、12 0°埋头紧固件椭圆形表面裂纹的应力强度因子拟合公式。研究结果表明 ,本文的应力强度因子计算方法和计算结果是有效的。本文的工作可为埋头紧固件的损伤容限分析提供应力强度因子。

中心圆孔圆盘试件三维最大无量纲应力强度因子的标定

基于平面假设标定的圆盘试件的无量纲应力强度因子对岩石断裂韧度的准确测定有一定的影响。使用三维断裂分析软件FRANC3D对不同中心孔尺寸的中心圆孔平台巴西圆盘HFBD试件的三维最大无量纲应力强度因子进行准确标定。结果表明:沿着圆盘厚度方向虚拟三维裂纹前缘各点的最大无量纲应力强度因子并不相等,其中心点与二维标定值最大误差接近3%,推荐了一种不受三维尺寸影响可简化为二维分析的中心圆孔平台圆盘试件尺寸。

孔洞三维裂纹应力强度因子分析

针对裂缝性低渗透油田孔洞三维裂纹在Ⅰ型加载下应力强度因子求解方法的多样性,研究了以权函数理论为基础的三维裂纹应力强度因子的求解方法。通过对由权函数法推导的应力强度因子曲线与Newman曲线进行比对,结果吻合较好,说明用权函数理论计算三维裂纹应力强度因子具有较高精度,且计算简便。综合运用应力三维度断裂准则、线弹性断裂力学和流体力学理论,分析了孔洞三维裂纹的起裂和三维扩展问题。通过算例分析了缝长、缝高、缝宽随施工时间变化的延伸规律。结果表明,该方法和计算模型是有效的、可行的。

三维裂纹前缘应力强度因子数值计算方法

本文建立了采用20节点奇异元1/4节点位移法求解三维裂纹整个前缘3种类型应力强度因子的数值计算方法,给出了裂纹网格划分方法以及网格划分参数取值范围;基于平板表面裂纹研究了网格划分参数对应力强度因子计算结果的影响,并与Newman-Raju解析公式计算结果对比验证了数值方法的准确性,二者最大误差小于2%;采用数值计算方法计算了裂纹扩展标准三点弯曲样扩展过程中单边穿透裂纹前缘应力强度因子,并与解析公式计算结果进行对比分析,二者最大误差为4.7%,且随着裂纹扩展,误差越来越小。结果表明,提出的数值方法可用于含裂纹结构整个裂纹前缘不同类型应力强度因子求解中。