基于相互作用积分法对有限厚度半椭圆表面裂纹经验公式的精度分析

采用相互作用积分法计算了有限厚度半椭圆表面裂纹基准问题的应力强度因子沿裂纹的分布,并与经验公式和等效域积分法计算的应力强度因子做了对比。首先通过与等效域积分结果的比较,验证了相互作用积分在该问题上的计算精度。之后,采用相互作用积分法和经验公式计算了不同裂纹形状比,不同有限厚度比条件下的应力强度因子沿裂纹的分布,比较了经验公式产生的相对误差。结果表明在有限厚度比较大时,经验公式计算结果的误差较大。通过分析,给出了经验公式的适用范围。

基于相互作用积分法的应力强度因子计算

通过相互作用积分法计算紧凑拉伸试样的应力强度因子。研究奇异单元的尺寸和角度、积分区域的大小、荷载大小和裂纹长度等因素对应力强度因子值的影响。计算结果表明：采用相互作用积分法计算应力强度因子时,增加奇异单元的长度可以提高计算效率,奇异单元的角度在9°~45°之间变化时计算值保持稳定。随着积分区域的增大,应力强度因子逐渐增大。裂纹长度一定时,应力强度因子与载荷之间呈线性关系,而载荷一定时,随着裂纹长度的增加应力强度因子的增加速率不断增大。

基于相互积分的应力强度因子数值分析

应力强度因子可反映裂纹尖端弹性应力场的强弱,是解决结构疲劳断裂问题的重要参数.工程上常采用有限元分析软件对各种复杂裂纹体进行数值模拟进而求解断裂问题.有限元分析软件ANSYS提供后处理功能可直接计算各种断裂参数.借助ANASYS计算平台,分别采用传统的位移插值法和基于相互积分的数值方法可求得张开型二维及三维裂纹应力强度因子.将数值分析结果与二维裂纹的解析解和三维裂纹扩展实验的测量结果进行对比分析后发现,基于相互积分理论求得的应力强度因子更为精确,这种优势在三维裂纹数值分析中更为显著.

含轴向裂纹X80压力管道弹塑性断裂分析

为研究含轴向裂纹管道裂尖塑性区对应力强度因子的影响,采用Ramberg-Osgood模型,建立了含轴向裂纹压力管道三维有限元模型,依据Von Mises屈服准则,确定塑性区尺寸,基于相互作用积分法计算断裂参数。研究结果表明:管道几何及材料参数一定条件下,弹塑性极限载荷随裂纹初始长度增加而减小;屈服强度一定时,塑性修正前后应力强度因子相对误差随管道内压的增加非线性增大,当管道R、t、l一定时,塑性修正后KI随裂纹初始长度a的增长而增大。

焊接节点表面裂纹复合型应力强度因子的数值计算研究

以十字形焊接节点为研究对象,比较ABAQUS、FRANC3D和规范公式计算表面裂纹应力强度因子的结果,验证FRANC3D计算应力强度因子的正确性和高效性。为从数值理论上研究复杂应力场下焊接节点表面裂纹复合型应力强度因子的影响因素,基于FRANC3D建立不同裂纹形状比和焊缝倾斜角度的计算模型。结果表明:随着焊缝倾斜角度的增大,Ⅰ型和Ⅲ型应力强度因子减小,Ⅱ型应力强度因子增大;当焊缝倾斜角度为0°和15°时,裂纹表面点和最深点同时可以忽略Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子的影响;应考虑Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子绝对值对疲劳裂纹扩展的影响。

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。

重载货车钩舌裂纹应力强度因子分析

服役条件的恶化和铸造缺陷的存在导致重载货车钩舌大量出现裂纹.根据实际应用中钩舌裂纹的出现位置和宏观形态,建立了含裂纹的钩舌有限元模型.采用相互作用积分法分析了牵引面水平中心线位置处、水平中心线附近及沿水平中心线处裂纹前缘的应力强度因子,并结合裂纹区不同位置处应力的变化特征,分析了应力对裂纹应力强度因子的影响.结果表明,牵引面处裂纹前缘的应力强度因子与裂纹位置和裂纹形状比有关,且相对于裂纹尺寸,应力对应力强度因子的影响更大.

7085铝合金三维中心斜裂纹应力强度因子的数值计算

为研究7085-T7485铝合金疲劳裂纹扩展的应力强度因子,用ANSYS软件建立了含三维中心斜裂纹铝合金的有限元模型。利用位移外推法和相互作用积分法计算了裂纹的应力强度因子;并将两种方法计算得到的结果与解析解对比,分析了中心斜裂纹的长度和倾斜角度对应力强度因子的影响。结果表明,在一定的范围内,两种方法与解析解都比较接近;但随着裂纹长度和角度的增加,相互作用积分凸显出更高的精度。因此,采用相互作用积分法对裂纹扩展的应力强度因子进行了计算,研究结果对铝合金三维复合型疲劳裂纹扩展机制研究有一定的指导意义。

基于扩展有限元的疲劳裂纹扩展分析

针对结构板裂纹扩展问题,基于Abaqus的扩展有限元法,使用3种方法计算单边裂纹和中心裂纹的静态应力强度因子,发现相互作用积分法结果更加精确,误差在2%以内。采用相互作用积分法计算裂纹扩展过程的动态应力强度因子,误差在3%以内,结合低周疲劳分析,对孔边裂纹的剩余寿命进行预测,与试验结果相比,误差为3.8%,并且疲劳裂纹扩展稳定阶段的试验结果与扩展有限元分析基本一致,证明了此方法的准确性和可行性。因此,该方法为疲劳裂纹扩展过程中动态应力强度因子计算和剩余寿命预测提供可靠的参考依据。

应力强度因子的有限元算法研究

基于位移外推法和相互作用积分法,以含穿透裂纹的有限宽板受单向拉伸载荷为力学模型,建立了相应的计算裂纹尖端应力强度因子(SIFS)的有限元模型,研究了两种方法在求解断裂参量时的差异性,并对比分析了裂纹长度对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明,裂纹长度的改变对应力强度因子有较大的影响,其中裂纹长度对应力强度因子KⅠ具有较大的推动作用。同时也发现,相互作用积分法与位移外推法的求解结果,在Ⅰ型应力强度因子时具有很好的一致性,二者可以相互验证。

基于扩展有限元模型的动态应力强度因子计算

为准确计算基于扩展有限元法(XFEM)的裂纹扩展模型中的应力强度因子,在ABAQUS软件中建立中心裂纹平板和三点弯曲的XFEM模型,采用相互作用积分法,通过用户子程序接口分别实现了Ⅰ型、Ⅱ型断裂模式下裂纹扩展过程中应力强度因子的计算;研究了网格密度与积分半径对XFEM模型应力强度因子计算精度的影响规律,研究结果表明:当网格密度因子为0.012～0.016、相对积分半径为3时,应力强度因子收敛至稳定值,计算误差不超过3%。利用所提方法与程序计算了单边带孔疲劳裂纹扩展试样的动态应力强度因子,试验结果表明:基于Paris理论预测的剩余寿命与疲劳试验结果误差为5.3%,进一步验证了所提方法与程序的正确性。

三维表面裂纹应力强度因子数值计算方法比较

以含椭圆形表面裂纹的三维平板为例,比较了J积分法、相互作用积分法、1/4结点位移法和扩展有限元法(XFEM)等方法计算应力强度因子(SIF)的特点。首先介绍了这4种方法的原理,将它们计算的平板表面裂纹SIF与国际认可的Newman-Raju公式计算值进行对比,均与公式计算值吻合较好,但XFEM计算的SIF沿裂纹前缘呈现出较小的振荡。然后,分析了这些方法计算的SIF对网格尺寸的敏感性,发现J积分法和相互作用积分法计算的SIF非常稳健,对网格尺寸不敏感,而其余方法对网格尺寸均有一定程度的敏感性。另外,对J积分法、相互作用积分法和XFEM等的路径无关性进行了分析,发现J积分法计算的SIF具有良好的路径无关性;相互作用积分法的路径无关性比J积分法稍差,但在可接受范围内;XFEM的路径无关性较差。最后,应用二次外推法对裂纹前缘和自由表面交点以及附近个别结点处的SIF进行修正,结果与Newman-Raju公式计算值非常接近。这些研究结果有助于为复杂结构SIF的求解选择合适的数值计算方法提供参考。

轴向载荷下油管点蚀坑-裂纹应力强度因子研究

为了研究管道在轴向载荷下的点蚀坑-裂纹应力强度因子的变化规律,利用ANSYS平台提供的相互作用积分法,把点蚀坑和裂纹作为一个整体模型,研究了油管外壁点蚀坑形态、裂纹形态和裂纹倾斜角度等对裂纹应力强度因子的影响。研究结果表明:裂纹前缘存在严重的应力集中现象,且应力最大值均在裂纹前缘与点蚀坑底面的交点处;Ⅰ型应力强度因子K_(Ⅰ)随点蚀坑深径比、裂纹形状比及裂纹倾斜角度的增大而减小;Ⅲ型应力强度因子K_(Ⅲ)随点蚀坑深径比和裂纹形状比的增大而增大,随裂纹倾斜角度的增大先减小后增大,且沿45°对称分布;总应力强度因子K随裂纹倾斜角度的增大而减小,当点蚀坑底部的裂纹倾斜角度θ=0°时,裂纹危险程度最高。所得结论可为油管点蚀坑-裂纹的安全评估提供参考。

T应力对复合型断裂韧度的影响

作为结构疲劳裂纹重要的断裂参数之一,应力强度因子可反映裂纹尖端应力场的强度。但实验发现,在求解断裂角时,裂纹尖端应力场中的T应力项对数值计算结果影响较大。文中采用Ansys 15.0中的相互作用积分法来求解应力强度因子和T应力,分析含裂纹结构的几何尺寸、载荷大小、初始裂纹长度和裂纹角对SIF和T应力的影响,对比考虑T应力后的最大周向应力准则MTS和传统的MTS,分析了T应力对裂纹扩展方向的影响。

基于有限元法对裂纹尖端应力强度因子的计算分析

应力在裂纹尖端会出现无限大的奇异性,但应力强度因子K则为有限值,是表征裂尖应力场强弱的物理参量。采用J积分法,位移外推法和相互作用积分法等3种不同的方法计算断裂模型裂尖的K值,并研究了受力、裂纹长度、含裂纹构件的几何参数等对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明3种方法模拟出的K值结果一致性较好,与应力强度因子手册值相比都能达到较高精度。对照3种方法,分析出各种方法的优胜劣汰,对应用数值法计算应力强度因子方法的选择具有借鉴和参照作用。

数值模拟带裂纹中心开孔巴西圆盘的K因子公式

文章采用有限元方法对纯Ⅰ型单边裂纹及双边裂纹的中心开孔巴西圆盘应力强度因子(K因子)进行了数值模拟,运用量纲分析法,在大量算例的基础上总结其规律,拟合出纯Ⅰ型的K因子公式。该公式具有试样不受尺寸大小限制、适用范围广、精确度高等优点。在单边裂纹及双边裂纹的中心开孔巴西圆盘纯Ⅰ型试验中,当相对裂纹长度a/(R-r)为0.10～0.80,内外圆半径比a/R为0.05～0.60,拟合公式求得的数值和有限元模拟得到的数值误差在3%以内。通过对比相同条件下,双、单边裂纹中心开孔巴西圆盘K因子之间的比值关系,分析了单、双边裂纹相对长度及内外圆半径比对中心开孔巴西圆盘K因子影响的相对大小。

岩石断裂力学的扩展有限元法

针对岩石材料的断裂力学问题阐述扩展有限元法的单元位移模式的选择、确定平面裂纹空间位置的水平集法和特殊单元的数值积分方法。介绍最大周向应力裂纹扩展判据和计算应力强度因子的相互作用积分法,进而建立岩石断裂力学的扩展有限元法。建立Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹的岩石断裂力学的扩展有限元计算模型,对I裂纹的应力强度因子和Ⅱ型裂纹的裂纹扩展路径进行扩展有限元法数值模拟计算。结果表明,建立的岩石断裂力学扩展有限元法可对岩石材料的断裂力学参数和裂纹扩展路径进行数值模拟分析,验证了数值计算结果的合理性,能有效地描述岩石断裂力学特性。

基于扩展有限元的应力强度因子的位移外推法

针对平面裂纹问题,阐述了扩展有限元法的单元位移模式、推导了扩展有限元法的控制方程、介绍了特殊单元的数值积分技术.基于最小二乘法,建立了应力强度因子位移外推法的计算公式.利用MATLAB编写计算程序,对平面裂纹问题用扩展有限元法进行了计算.基于扩展有限元法的计算结果,分别利用位移外推法和相互作用积分法,对平面裂纹的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,位移外推法比相互作用积分法能更方便和准确地计算平面裂纹的应力强度因子.

起重机箱形梁贯穿裂纹尖端前沿形状简化研究

以36t集装箱门式起重机箱形梁为研究对象,针对结构的疲劳裂纹,利用有限元分析软件Abaqus建立了起重机箱形梁的整体有限元模型和裂纹子模型,采用相互作用积分法分别求解了下盖板和腹板上实际斜裂纹以及相应简化等长裂纹的应力强度因子K_I,研究了起重机箱形梁贯穿裂纹尖端前沿形状简化的合理性。通过对比分析计算结果,发现简化等长裂纹尖端的最大应力强度因子K_I,总是大于实际斜裂纹尖端的应力强度因子值,说明将实际斜裂纹简化成等长裂纹是有效可行的。为起重机箱形梁结构进行断裂分析提供了依据。

复合型加载条件下HCCD试样应力强度因子的研究

文章采用有限元方法,对带裂纹中心圆孔圆盘(hollow centre cracked disc,HCCD)试样的复合型断裂进行了数值模拟研究。采用相互作用积分法计算了试样裂尖的Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子(KⅠ和KⅡ)。根据大量算例结果并结合量纲分析,得到了复合型加载条件下HCCD试样裂尖KⅠ和KⅡ的拟合公式。该组公式含有试样圆盘内径r、裂纹长度a、裂纹倾角θ3个参量,从纯Ⅰ型断裂至纯Ⅱ型断裂,以及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂均具有较高的精度。对于KⅠ拟合公式,当θ在0°~15°,r/R在0.05~0.50,a/(R-r)在0.1~0.6范围内时,其计算误差小于8%;当θ在15°~30°,r/R在0.05~0.50,a/(R-r)在0.1~0.4范围内时,其计算误差小于9%。对于KⅡ拟合公式,当θ在0°~30°,r/R在0.10~0.50,a/(R-r)在0.1~0.6范围内时,其计算误差小于10%。