应用改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹应力强度因子

基于有限元计算结果计算结构的能量释放率,利用能量释放率来计算结构的应力强度因子。本文对现有的虚拟裂纹闭合方法作了改进,即应用本文改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,裂纹前缘的裂纹面可以是任意形状,且裂纹前缘的有限元单元宽度可以不等。文中以三维表面裂纹为例,应用改进的虚拟裂纹闭合方法计算了该结构的应力强度因子,同时讨论了裂纹前缘有限单元宽度对应力强度因子的影响。

改进的三维虚拟裂纹闭合方法

改进了一种基于有限元技术分析三维裂纹应力强度因子的计算方法——虚拟裂纹闭合方法,称为改进的虚拟裂纹闭合方法。应用传统的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,对有限元模型具有一定的要求,即过裂纹前缘的有限单元裂纹面必须具有相同的面积且对称。而应用文中改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,裂纹前缘的裂纹面可以是任意形状。文中应用改进虚拟裂纹闭合方法,建立20结点等参元有限元模型,对三维表面裂纹应力强度因子进行了验证性的分析和讨论。通过与Newman解相比较,证明该方法适用性强且计算精度高。

基于光滑节点域有限元的虚拟裂纹闭合技术

为了提高求解断裂参数的效率和精度,将虚拟裂纹闭合法(Virtual Crack Closure Technique)与光滑节点域有限元方法(Node-Based Smoothed Finite Element Method)相结合,提出了SFEM-VCCT方法.基于三角形单元的光滑节点域有限元方法,对二维含中心斜裂纹受拉伸矩形板的断裂参数进行求解.通过不同的单元离散数量与FEM-VCCT做了比较.数值算例结果表明,SFEM-VCCT改善了FEM-VCCT刚度"过硬"的缺点,精度高于FEM-VCCT,并且对网格尺寸要求低、裂纹尖端单元不需要特殊处理、求解简单方便,具有广阔的应用前景.

黏弹性功能梯度材料裂纹问题的有限元方法

针对组分材料体积含量任意分布的黏弹性功能梯度材料裂纹问题建立有限元分析途径.通过Laplace变换,将黏弹性问题转化到象空间中求解,基于反映材料非均匀的梯度单元和裂纹尖端奇异特性的奇异单元计算象空间中的位移、应力和应变场,应用虚拟裂纹闭合方法得到应变能释放率,分别由应力和应变能释放率确定应力强度因子.给出这些断裂参量在物理空间和象空间之间的对应关系,由数值逆变换求出其在物理空间的相应值.文中分析两端均匀受拉的黏弹性边裂纹板条,首先针对松弛模量表示为空间函数和时间函数乘积的特殊梯度材料进行计算,结合对应原理验证方法的有效性.然后分析组分材料体积含量具有任意梯度分布的情形,由Mori--Tanaka方法预测象空间中的等效松弛模量.计算结果表明,蠕变加载条件下,应变能释放率随时间增加,其增大程度与黏弹性组分材料体积含量相关.由于梯度材料的非均匀黏弹性性质,产生应力重新分布,导致应力强度因子随时间变化,其变化范围与组分材料的体积含量分布方式有关.

受剪切应力作用的表面裂纹应力强度因子研究

应用改进的三维虚拟裂纹闭合方法研究了受远端剪切应力作用的有限大体半椭圆表面裂纹复合型应力强度因子分布,并讨论了整个裂纹前缘复合型应力强度因子分布随裂纹形状变化和结构参数变化的规律。研究发现在自由表面附近,Ⅲ型应力强度因子分布受角点应力奇异性影响较大,在自由表面附近出现转折,但转折现象与裂纹形状参数有关,当裂纹形状比a/c≤0.6时,应力强度因子分布曲线光滑,表现为经典的角点奇异性。

双脉冲发动机中金属膜片式隔舱设计方法

为了得到双脉冲发动机中金属膜片式隔舱的设计方法,通过圆板大挠度理论和断裂力学理论推导出金属膜片预制缺陷处应力强度因子的计算式,通过三维虚拟裂纹闭合法数值计算了预制缺陷处的应力强度因子,数值计算结果与公式计算结果一致性较好。通过多孔圆板强度理论,建立了支撑件强度校核方法,并与数值计算结果对比,校核方法所得应力值略高于数值结果,说明按该方法校核支撑件强度更有利于提高隔舱的承载能力。为了进一步验证公式方法的准确性,进行了隔舱相关试验。膜片实际平均打开压强与公式设计值误差仅为5.0%;通过热流模拟试车考核了隔舱承压性能,支撑件结构保持完整。数值分析及实验结果说明,文中所推导方法可用于设计膜片的结构尺寸和校核支撑件强度,所得方法可直接应用金属膜片式隔舱设计中。

基于四面体单元的三维裂纹自动化建模

三维裂纹前缘布置结构化网格是一项耗时且困难的工作。以二次四面体单元虚拟裂纹闭合法(VCCM)为基础,提出基于几何特征的三维裂纹建模方法,阐述应用四面体单元在ABAQUS上进行三维裂纹建模的实现细节;应用Python编程语言结合NumPy和SciPy开源科学计算库开发参数化三维裂纹分析程序包,实现三维裂纹问题分析的全流程自动化;数值算例和文献中的结果吻合很好,表明本文建模方法是准确且可靠的,全模型采用常规四面体单元,提高了三维裂纹自动化建模的稳定性和鲁棒性。