三维表面裂纹扩展轨迹与数值仿真研究

针对三维表面裂纹扩展形态和轨迹难以预测的特点,基于ANSYS有限元分析软件,利用三维裂纹扩展仿真方法,开发三维裂纹扩展程序,研究典型的三维表面单裂纹与三维非等大共面表面双裂纹扩展轨迹,实现了任意三维多裂纹扩展轨迹的数值模拟。主要研究内容与结论如下:针对三维表面单裂纹模型,当初始裂纹形状c/a>1时,最深处的应力强度因子值大于自由表面处应力强度因子值,随着裂纹的不断扩展,前缘会渐渐趋于稳定的圆形。而对于三维非等大共面表面双裂纹,较大的裂纹扩展速率大于较小的裂纹。开始时2条裂纹均沿光滑的样条曲线扩展,后来受到另一条裂纹的影响,在彼此接近处,由于应力放大作用,此部位的应力强度因子变大,扩展速率也会高于裂纹前缘其他部位。

弹塑性材料动态起裂止裂和裂纹稳态扩展轨迹的试验研究

利用一维试验原理 ,在冲击拉伸试验装置上实现了周边切口短圆柱试件的动态起裂和动态止裂试验 ,利用止裂试验中不同的裂纹止裂长度Δa和止裂点处的总体柔度 ,拟合一标定曲线 ,根据 P δ曲线上每一点的总体柔度由标定曲线来确定裂纹的稳态扩展轨迹 ,从而得到裂纹的扩展速度 .

三维裂纹扩展轨迹的边界元数值模拟

提出了一种对三维裂纹扩展轨迹进行数值模拟的新方法。采用一种新的具有C1连续性、高精度的单节点二次边界单元 ,使边界元 (BEM )的分析效率和裂纹张开位移 (COD)、应力强度因子(SIF)的精度大大提高。采用裂纹张开位移全场拟合法 (GCDFP)求出裂纹面前缘的SIF ,所得到的SIF达到与所用的COD资料同样的精度。使用Paris公式求出裂纹前缘各点的裂纹扩展增量 ,并用三次B样条函数对这些增量进行拟合 ,得到新的光滑裂纹前缘。根据以上思想方法 ,开发了具有较高的计算效率和精度的数值模拟软件。此软件可以自动跟踪裂纹扩展 ,得到裂纹扩展的轨迹。运用该软件对椭圆和矩形裂纹的扩展轨迹进行了数值模拟。其结果与理论上的预言完全一致 ,裂纹最后都趋于一个圆裂纹 。

航空发动机齿轮副动态啮合过程与齿根裂纹扩展轨迹影响因素研究

为了研究航空发动机中附件齿轮箱中的一对齿轮副在动态啮合过程中的响应特性和齿根裂纹的扩展对齿轮系统的影响,利用有限元仿真分析法,基于显示动力学和线弹性断裂力学研究了该齿轮副动态啮合过程和齿根裂纹扩展轨迹影响因素。含有齿根裂纹的齿轮在啮合过程会产生额外的振动和噪声,会引起转速、啮合力、啮合频率、接触应力产生较大波动;齿根裂纹的扩展轨迹不同会导致齿轮系统两种典型的失效模式:轮缘断裂失效或齿断裂失效,发生轮缘断裂的可能性受到轮缘厚度与齿高比值和裂纹初始位置的影响,会随着该比值的减少和初始裂纹位置沿着齿根方向下移而增大,初始裂纹方向对裂纹扩展轨迹影响很小可以忽略。研究成果在工程中可以为齿轮结构的故障监测和结构设计提供参考。

三维裂纹扩展轨迹的厚度效应研究

基于ANSYS有限元分析软件,构建了不同厚度穿透裂纹结构在拉伸载荷作用下的计算模型,将含裂结构分为非裂纹体和含裂纹体,独立建模和划分网格,通过位移法求解三维裂纹前缘的应力强度因子值,利用Paris公式计算裂纹扩展量,依据Richard判据确定裂纹偏转角度,借助三次样条曲线拟合新的裂纹前缘曲线,建立三维裂纹扩展仿真方法,开发三维裂纹扩展程序,研究不同厚度下的三维裂纹扩展轨迹。通过数值模拟结果和试验实测结果对比,验明了本文裂纹扩展轨迹分析方法的有效性。研究结果表明,在相同载荷及边界条件下,对于不同厚度的三维穿透裂纹,厚度效应对内部的应力应变场影响很大,裂纹前缘也呈现出完全不同的形态。

整体翼梁止裂筋条对裂纹转折特性的影响分析

研究了飞机整体翼梁结构中止裂筋条对裂纹转折特性的影响。采用ABAQUS建立有限元模型,计算了应力强度因子和T应力,通过一阶最大切向应力理论和二阶最大切向应力理论预测裂纹转角,并与试验结果进行对比,发现二阶理论能够更准确地模拟裂尖靠近筋条时的急速转折现象;通过改变腹板厚度,讨论其对裂纹转折的影响。结果表明:筋条相对腹板刚度比越大,裂纹转角越大,对整体翼梁的止裂效果越好。

准静态工况下斜齿轮裂纹扩展特性与寿命研究

齿轮的断齿行为通常由疲劳裂纹引起。为了研究齿根裂纹在齿轮传动过程中的扩展行为,基于线弹性断裂力学理论和有限元法,通过准静态工况下斜齿轮齿根裂纹的扩展轨迹,对裂纹扩展寿命进行了预测,并讨论载荷、裂纹初始角度、裂纹形状对初始裂纹应力强度因子的影响。结果表明:初始裂纹深度为0.2 mm,宽度为0.4 mm,沿齿宽方向扩展过程中达到一定长度时,裂纹开始沿齿顶方向扩展,直至裂纹扩展到失稳扩展阶段,预测裂纹扩展的循环寿命约为2.6×10^(6)次;初始裂纹Ⅰ型应力强度因子与载荷成正比关系,而裂纹形状会改变沿齿厚和齿宽方向应力强度因子的扩展速率。

飞机整体翼梁结构断裂特性分析研究

研究飞机整体翼梁结构的损伤容限特性,采用ANSYS有限元分析软件,计算不同结构参数下应力强度因子,并根据最大拉应力理论确定裂纹扩展轨迹。分别讨论裂纹按照直线轨迹扩展和按照最大拉应力理论确定的轨迹扩展对应力强度因子的影响,并进行了分析比较。研究了整体翼梁结构腹板厚度及止裂筋条结构参数变化对应力强度因子及裂纹扩展轨迹的影响。

Extending application of asymmetric semi-circular bend specimen to investigate mixed mode Ⅰ/Ⅱ fracture behavior of granite

The asymmetric semi-circular bend(ASCB)specimen has been proposed to investigate the cracking behavior in different geo and construction materials and attracted the attention of researchers due to its advantages.However,there are few studies on the fracture toughness determination of rock materials.In this work,a series of fracture tests were performed with the ASCB specimens made of granite.The onset of fracture,crack initiation angle and crack propagating trajectory was analyzed in detail combined with several mixed mode fracture criteria.The influence of the crack length on the mode Ⅰ/Ⅱ fracture toughness was studied.A comparison between the fracture toughness ratios predicted by varying criteria and experimental results was conducted.The relationship between experimentally determined crack initiation angles and curves of the generalized maximum tangential stress(GMTS)criterion was obtained.The fracture process of the specimen was recorded with the high-speed camera.The shortcomings of the ASCB specimens for the fracture toughness determination of rock materials were discussed.The results may provide a reference for analysis of mixed mode I and II fracture behavior of brittle materials.