基于最大能量释放率原理的裂纹扩展算法的改进

在基于最大能量释放率判据(Maximum energy release rate,MERR)的复合型裂纹扩展分析中,因需要对多个虚拟裂纹扩展方向进行试算和迭代运算,这会大大增加计算量,特别是为保证计算精度不得不选取很小的试算转角增量时,该问题会很突出。为此,提出分别基于有限差分法(Finite difference method,FDM)和最大周向应力判据(Maximum tangential stress,MTS)的裂纹转角预测方法,以减小计算量或提高计算精度。推导相关计算公式和算法,利用FORTRAN与ANSYS参数化设计语言(ANSYS parameter design language,APDL)语言混合编程的方法实现了基于ANSYS有限元环境下的裂纹扩展自动分析,并通过对带孔薄板的疲劳裂纹扩展分析,验证了所提出方法的有效性。分析发现,FDM的预测误差小于MTS的预测误差。MTS预测的转角误差曲线与转角曲线的一阶导数有相同的变化规律,而FDM预测转角的误差曲线与转角曲线的二阶导数有相同的变化规律。根据MERR和MTS判据得到的K_(Ⅱ)值趋近于零,这与局部对称判据(Local symmetry,LS)一致,但MERR和LS判据的计算结果更接近。

陶瓷基复合材料基体唇形裂纹失效规律研究

建立横向拉伸载荷下的唇形裂纹数学模型,采用复变函数的方法,通过保角映射,推导了唇形裂纹尖端应力场和位移场的解析解,建立了唇形裂纹的应力强度因子准则和最大能量释放率准则,结合算例分析陶瓷基复合材料基体唇形裂纹的几何参数、外载荷和纤维分布对失效准则的影响规律。结果表明,(1)裂纹尖端应力场和位移场的解析解与有限元计算结果进行对比,验证了方法的有效性;(2)相较于Griffith裂纹和椭圆裂纹,基于唇形裂纹的失效准则对裂纹尖端的敏感性更高,适用于预测脆性陶瓷基体裂纹的扩展;(3)对于不同几何参数的唇形裂纹,采用最大能量释放率准则的基体裂纹的扩展速率要大于应力强度因子准则。