压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板弹塑性屈曲载荷研究

为了研究含裂纹结构承载能力,采用有限元方法建立压载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型中心裂纹板模型,计算裂纹板弹塑性屈曲载荷,讨论相对裂纹长度(a/w)、裂纹倾角(θ)、板宽(w)、板厚(t)、边界条件对弹塑性屈曲载荷及其变化规律的影响。对于上下夹持中心裂纹板,随着裂纹长度和裂纹倾角的增大,板宽越大,中心裂纹板屈曲载荷对裂纹越敏感,中心裂纹板承载能力受到裂纹长度和裂纹倾角的影响越明显。弹塑性屈曲载荷随着板厚的增大而增大,并且随着裂纹倾角的增大,板厚越大,屈曲载荷的下降程度越显著。上下简支中心裂纹板与上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷变化规律基本一致,且上下夹持中心裂纹板的屈曲载荷显著大于上下简支中心裂纹板的屈曲载荷。给出不同边界条件下弹塑性屈曲载荷与相对裂纹长度、裂纹倾角的回归关系式。通过中心裂纹板弹塑性屈曲试验发现,采用压缩力学性能计算弹塑性屈曲载荷更接近试验结果,试验屈曲载荷的变化规律与有限元模拟计算结果一致。研究结果对含裂纹结构的承载能力评价具有参考价值。

船体裂纹板双轴非比例低周疲劳载荷下累积塑性行为研究

在恶劣海况中伴随着多轴高应力、低循环交变载荷作用下,船体结构不仅会出现多轴低周疲劳破坏,而且还存在着明显的累积塑性破坏。本文通过实验研究在双轴非比例低周疲劳载荷作用下,材质为Q235钢的船体斜裂纹板累积塑性损伤行为,提出双轴非比例低周疲劳载荷下基于累积塑性的裂纹板双轴非比例低周疲劳寿命预测模型。通过分析不同双轴非比例低周疲劳载荷下裂纹板的应力应变迟滞回线,重点探究不同双轴比、应力比和相位差等对低周期疲劳累积塑性变形的影响。研究结果可为准确评估在双轴非比例低周疲劳作用下船体结构断裂破坏行为提供重要依据。

大采高长壁工作面顶板垮落的裂纹板力学模型

针对大采高长壁工作面顶板垮落在空间上具有局部、分段和迁移的特征,结合煤岩体地质特征,将长壁工作面顶板视为含有一定数量边裂纹的弹性薄板,利用弹性力学中的薄板理论建立了裂纹板力学模型.以周期来压过程中长壁工作面的来压规律为研究对象,将弹性薄板在工作面推进过程中的破坏分为裂纹扩展、塑性铰失效和铰接板失稳三个阶段,利用断裂力学和弹塑性力学理论研究了各阶段顶板失稳的条件,求得了使裂纹开裂扩展的应力强度因子K1和裂纹的起裂荷载q的计算公式;得到了第二个阶段中造成塑性铰失效的极限荷载p*;通过分析薄板间的连接及破坏过程研究了第三个阶段铰接板的失稳过程.顶板破坏的三阶段力学分析方法合理地解释了工作面长度方向上顶板的来压特征;顶板第一次垮落完成后,由于应力转移,造成应力集中作用,使得长壁顶板未破断部分再次经历裂纹扩展、塑性铰失效、铰接板失稳这三个破坏过程;造成来压从破坏部位向两边迁移,形成了长壁工作面周期来压过程中矿压显现的迁移特征.研究结果从理论上解释了工作面长度方向上的顶板垮落及来压规律.并结合具体工作面监测信息对理论分析结果进行了验证.

偏心裂纹板在裂纹面受一对集中拉应力作用时弹塑性解析解

利用裂纹线场方法对理想弹塑性材料偏心裂纹板在裂纹面受一对集中拉力问题进行了弹塑性分析,并且获得了理论解.这个解包括:裂纹线附近弹塑性边界上的单位法向矢量,裂纹线附近的弹塑性解析解、最大塑性区长度、裂纹线上的塑性区长度随荷载的变化规律及其承载力.该分析不受小范围屈服假设的限制,并且不附加假使条件.结果在裂纹线附近足够精确.

FRP加固金属裂纹板的断裂力学分析

传统的金属结构加固方法会形成新的疲劳源,而粘贴FRP加固则具有明显的优势．提出了“三维实体-弹簧-壳元”有限元模型,金属板采用三维实体单元, FRP采用壳单元,用弹簧单元来模拟FRP与金属板之间的胶层,对金属裂纹板粘贴FRP加固后的性能进行了线弹性断裂力学分析,并对影响金属板裂纹前缘应力强度因子的参数进行了讨论．分析结果表明,采用高弹性模量的FRP和增加FRP的厚度对改善加固效果非常明显．

带裂纹板在冲击载荷作用下动态应力强度因子的数值计算

本文使用八节点等参元和六节点畸变等参元的有限元方法,计算了中心穿透裂纹板在冲击载荷作用下的动态应力强度因子,并与Chen和Aberson的计算结果作了比较,本文的结果具有较高的精度和较少的计算量。文中还给出了动载影响系数k_1(t)和静态应力强度因子的关系式。并考虑了材料特性和板的几何尺寸对于动态应力强度因子的影响。

低周疲劳下考虑累积塑性应变的裂纹板裂纹闭合效应研究

裂纹闭合效应发生在裂纹扩展过程中,影响着裂纹扩展速率,同时在裂纹尖端附近区域塑性应变的累积对诱发裂纹闭合效应以及结构破坏起着重大作用.为了研究裂纹扩展中复杂的闭合机理,以试验与数值模拟为基础,考察了裂纹闭合效应及其与累积塑性应变的关系,着重探究了应力比、循环次数、裂纹长度等相关因素的影响.研究结果表明,裂纹闭合水平与累积塑性应变及形成的塑性尾迹区之间存在着交互式的影响,且裂尖塑性应变的演化与尾迹区残余压应力场的关系能很好地反映裂纹闭合水平的变化过程,这为进一步研究低周疲劳裂纹闭合效应的复杂机理提供了新的途径.

含表面裂纹板的振动功率流特性研究

从结构噪声的观点研究了在简谐力作用下含有表面裂纹板的振动功率流特性。由于裂纹的存在,导致了板在裂纹两边转角的不连续性,运用断裂力学的理论得到裂纹导致的附加转角。利用力作用处以及裂纹处的连续性条件推导出了含裂纹板中的弯曲波运动并得到输入功率流以及传播功率流。通过对完善板与裂纹板的输入功率流与传递功率流的对比,表明板中裂纹的存在改变了板原有的振动功率流特性,裂纹的特性参数可以通过板的输入功率流和传播功率流来反映。通过构造裂纹板的输入功率流的等值线图给出了识别板中的裂纹的方法。

改进的金属裂纹板复合材料胶接修补的有限元模型

以中心穿透裂纹板为修补对象 ,对前人的两种有限元计算模型进行了分析研究 ,指出Jones R等的“双板 -胶元”模型所提出的修补结构横向剪应力沿厚度分布的线性假设仅适用于双边修补 ,Sun C T等的“双板 -弹簧”模型不能充分考虑整个结构的横向剪切效应。从板壳理论出发 ,推导出更加真实的修补结构横向剪应力沿厚度分布 ,提出了合理考虑横向剪切效应的“双板 -胶元”修正模型 ,并将其进一步简化为“双板 -弹簧”修正模型。指出了两种模型的内在联系 ,并通过应力强度因子的算例证明“双板 -弹簧”修正模型具有建模简单、计算方便和计算精度高的优点。

中心裂纹板塑性功因子的计算

推导了幂强化材料(Ramberg Osgood)中心裂纹拉伸试样的塑性功因子ηpl的一个表达式,它可表示为强化指数n、幂率指数m因子和试样形状参数的函数;并基于弹塑性分析中塑性区的J积分表达式,利用有限元计算了ηpl的实际值.理论和有限元计算的ηpl值在裂纹长度/样本宽比等于0.45、0.5、0.55、0.6时吻合得较好,而局部偏差是由于对m因子的近似造成的.两种计算结果均表明,ηpl严格准确的计算范围为预定的裂纹长度/样本宽比等于0.45～0.70.

基于TOM理论的金属裂纹板复合材料胶接修补胶层应力分析

针对复合材料胶接修补结构,基于TOM理论,提出了一种改进的Rose L R F胶层剪应力分析方法。该方法考虑了金属母板厚度方向上的剪切应力变化,认为剪应力沿厚度方向呈线性变化,并通过有限元数值方法进行了验证,分析了不同厚度的金属裂纹板组成的修补结构中的胶层剪应力。结果表明,当金属板厚度较薄(板厚与板长之比小于0.1)时,该方法得到的剪应力比Rose L R F给出的结果更接近于有限元解。

用三维有限元模型计算复合材料粘接修补裂纹板的J积分

用复合材料单边粘接修补带裂纹金属板是三维应力问题,而采用简化的二维有限元分析模型计算则有一定近似性。本文建立了三维有限元模型,并计算了其断裂参数J积分。计算分析结果表明,厚度方向上J积分值是变化的,并且修补边比未修补边的J积分值有明显减小;修补前后裂纹面的张开位移明显不同;裂纹板模型的J积分值与裂纹长度在修补前为二次关系,修补后,变成线性关系;粘胶和补片的厚度、粘胶的模量对J积分的影响比较显著。为了提高修补性能,需要对粘胶和补片的几何尺寸和材料性能进行优化。

利用压电补片修补裂纹板的效能分析

采用有限元方法分析多层压电补片修补裂纹板的应力强度因子,研究压电补片的电压、压电片层数、几何尺寸等参数对裂纹板应力强度因子的影响,并据此评价采用压电补片修补中心裂纹板后的修补效能。结果表明,利用压电补片修补后的裂纹板,其裂纹尖端的应力强度因子显著降低。适当增大电压可以获得理想的修补效果,但过高的电压可能不利;在电压相同和补片厚度一定的条件下,增多补片的压电片层数有利于提高修补效能;在一定范围内增大补片的几何尺寸也可提高修补效能,但尺寸超过一定限度后继续增大,对修补效能的进一步提高效果甚微。

含裂纹板的振动疲劳裂纹扩展耦合分析

为提高含裂纹板的振动疲劳分析精度,提出一种振动疲劳裂纹扩展耦合分析方法。首先,利用附加载荷等效代替裂纹作用,由力学平衡原理推导含裂纹板的振动方程,基于Rice与Levy应力关系式形成方程的裂纹项;然后,运用Paris方程模拟裂纹扩展,通过振动分析与裂纹扩展计算同步进行的方式考虑振动与裂纹扩展的耦合作用,讨论振动对含裂纹板裂纹扩展的影响。分析表明,结构固有频率与裂纹大小和板厚密切相关;阻尼大小和激振力变化对裂纹扩展速率的影响显著。

共线多孔边对称裂纹板的应力强度因子计算

阐明了复变应力函数方法及其近似迭加法的基本原理,并将其应用于无限板共线多裂纹应力强度因子的求解上,结合局部修正因子法得到共线多孔边对称裂纹板的应力强度因子,并利用此种方法计算了无限板共线双孔、三孔和四孔对称裂纹情况的数值算例。将计算结果与有限元结果比较可知,该计算结果精确、可靠,而且计算过程相对简单,易操作。因此,该解析方法能很好的解决无限板上对称分布与非对称分布的共线多孔对称裂纹问题,值得在工程断裂问题中得到推广。

三维中心裂纹板中J积分的计算及分析

利用大型有限元软件ANSYS ,对受单向拉伸的中心穿透裂纹板进行了三维弹塑性断裂计算和分析 ,分别得出屈服应力、切线模量、裂纹深度及板的厚度的不同引起J积分值的变化 ,为防断裂设计的选材和结构完整性评价分析提供了理论依据。

有限宽中心裂纹板在裂纹面受一对偏心反平面集中力的弹塑性分析

有限宽裂纹板的弹塑性分析是弹塑性断裂力学中最困难的问题之一。本文对有限宽裂纹板在裂纹面任意点受一对反平面集中力的情形采用裂纹线场分析方法，将各场量在裂纹线附近展开，利用平衡方程和屈服准则进行弹塑性分析，这种分析不需要作小范围屈服的假定。通过裂纹线上的弹塑性应力场在弹塑性边界上进行匹配得出荷载与裂纹线上塑性区长度之间的关系，进而分析得出荷载的不同位置和板宽所对应的临界荷载。

基于Lipschitz指数估计的含裂纹板损伤检测

对板的振动模态进行大间距二维采样,并用二维小波对得到的模态信号进行分解,判断损伤的大致位置。在损伤位置的附近分别沿平行于板两边的方向进行加密一维采样,对采样信号进行连续小波变换,求得各点在两个方向的Lipschitz指数,判断裂纹的具体位置和尺寸。用有限元法模拟一个含穿透裂纹的矩形板结构,求解其自由振动模态,模拟结果表明,本方法准确有效。

裂纹板贴补应力分析

本文采用含裂纹无限大板特殊基本解和合力边界条件，用体积力法对含裂纹金属薄板的胶贴补强问题进行应力分析。使用一满足胶贴层位移连续条件的剪切单元，把问题转化为对裂纹板和贴片的分析。由于使用的特殊基本解精确满足裂纹面自由力边界条件，避免了对裂纹尖端附近的奇异场进行离散处理，因而可以比较精确地求出裂纹尖端附近的应力分布，同时由于单位集中力引起的裂纹尖端应力强度因子可以解析得到，因而可以较准确地反映出用应力强度因子的降低来表征的贴补效果。作为贴补计算的例子，文中计算了受拉力和剪力作用时，含中心裂纹的金属裂纹板在贴补前后裂纹尖端应力强度因子的降低，给出了贴片的厚度、弹性模量和尺寸及肢贴层厚度等对贴补效果的影响。

含裂纹板的振动疲劳耦合模型及非线性分析

为方便预报含裂纹板的振动疲劳寿命,建立了一种含裂纹板的振动疲劳耦合分析模型。首先,利用附加外载荷替代结构裂纹,基于力学平衡原理推导含裂纹项的板振动方程;而后,利用Rice和Levy得到的应力关系式形成方程的裂纹项,通过Galerkin法把双边悬臂裂纹板简化为单自由度系统,并基于中面应变表达式形成振动方程的二、三次非线性项;最后,通过多尺度法求解含裂纹板非线性振动方程。分析表明,应用该模型可较好地研究含裂纹板的振动疲劳耦合效应。