两种求解应力强度因子权函数方法的对比分析

对WXR权函数法和通用权函数法的特点进行了分析,并通过计算两种典型一维I型裂纹结构(有限宽板中心穿透裂纹、双边穿透裂纹)承受均布、梯度分布载荷下的应力强度因子,对两种权函数法的精度进行了对比评估。得到以下主要结论:对于二维线裂纹体WXR权函数法精度相对较高,但应用于三维面裂纹体时相对复杂亦不能表现三维效应,通用权函数法能够直接方便地适用于二、三维裂纹问题。两种权函数法对参考应力分布下的应力强度因子计算精度与对复杂非均匀应力分布下的计算精度基本一致,要保证其在复杂应力分布下具有较高的计算精度,必须提高参考应力强度因子解本身的精度。

三维裂纹扩展数值预报方法研究

基于线弹性断裂力学理论及有限元法并结合ANSYS中的APDL语言,建立了三维裂纹扩展形貌及寿命的数值预报方法,给出了计算流程。采用20节点奇异单元和1/4节点位移法求解裂纹前缘应力强度因子,给出了裂纹体网格划分方式及网格划分参数的取值0范围。采用最大环向应力准则预测裂纹偏折角度,并将等效应力强度因子作为计算裂纹扩展增量及裂纹扩展寿命的参数。对标准三点弯曲试样裂纹扩展寿命及紧凑拉伸剪切试样的裂纹偏折路径进行预测,并与试验结果进行比较,验证了该数值预报方法的准确性。该项研究为船舶与海洋工程结构疲劳裂纹扩展预测提供了一种有效的方法。

三维裂纹前缘应力强度因子数值计算方法

本文建立了采用20节点奇异元1/4节点位移法求解三维裂纹整个前缘3种类型应力强度因子的数值计算方法,给出了裂纹网格划分方法以及网格划分参数取值范围;基于平板表面裂纹研究了网格划分参数对应力强度因子计算结果的影响,并与Newman-Raju解析公式计算结果对比验证了数值方法的准确性,二者最大误差小于2%;采用数值计算方法计算了裂纹扩展标准三点弯曲样扩展过程中单边穿透裂纹前缘应力强度因子,并与解析公式计算结果进行对比分析,二者最大误差为4.7%,且随着裂纹扩展,误差越来越小。结果表明,提出的数值方法可用于含裂纹结构整个裂纹前缘不同类型应力强度因子求解中。

17号锻造钩尾框裂纹萌生寿命计算

采用有限元方法中的1/4点位移法计算了17号锻造钩尾框的应力强度因子;根据Paris公式结合AAR载荷谱,计算了17号锻造钩尾框的裂纹萌生寿命。并对计算结果进行分析评价。

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。

表面裂纹的三维模拟及应力强度因子计算

考虑到裂纹前缘处的应力奇异性,在利用有限元方法计算平板表面裂纹的应力强度因子时,裂纹前缘采用三维四分之一分点20节点等参退化奇异单元。研究了裂纹前缘采用奇异单元的边长L与裂纹深度a之比L/a、围绕奇异单元层数R以及裂纹前缘每层单元划分的份数m(网格疏密)对计算结果的影响,并用无因次化的形状系数Y表示应力强度因子,分析结果与Newman-Raju公式计算结果基本相近。

曲轴过渡圆角处裂纹可修复性的有限元研究

针对船用柴油机曲轴因产生裂纹而导致失效的问题,进行可修复性研究。分析3种疲劳裂纹的成因、形态以及在零件中的位置,依据校核静强度安全系数,对曲轴的刚度、硬度和承受载荷能力进行可靠性评估;依据校核疲劳强度安全系数,评估船用柴油机再制造前后的疲劳寿命;利用1/4位移法求得曲轴圆角裂纹处的强度因子KⅠ,对因产生裂纹而失效的曲轴进行应力场仿真分析,并借助pairs公式求得裂纹扩展速率,评价曲轴的剩余疲劳寿命,判别其可修复性。

基于三维裂纹尖端应力场的应力强度因子计算方法

提出一种基于无限大体裂纹尖端弹性应力场理论解的前几项多项式函数,对实际裂纹体弹性应力场有限元解进行拟合来计算应力强度因子的方法.该方法在计算应力强度因子时不需要预先假设裂纹尖端的应力应变状态,应力强度因子计算结果更符合三维裂纹体裂纹尖端实际的应力应变状态.首先基于二维无限大板中心穿透裂纹应力场理论解验证了方法的有效性,探讨了拟合确定应力强度因子需要的多项式应力函数的项数.然后分别以二维大板中心穿透裂纹、三维大体内埋圆裂纹和三维有限厚板中心穿透裂纹的应力强度因子计算为例,通过与无限大板和无限大体应力强度因子理论解以及基于位移外推法和1/4节点张开位移法的应力强度因子有限元解的对比分析,验证了该方法的有效性和合理性.研究表明该方法能够合理反映三维裂纹体裂纹尖端的实际应力应变状态,计算得到的应力强度因子数值更合理.

裂纹尖端应力强度因子的有限元计算方法分析

通过在裂纹前缘附近采用退化的奇异单元,远离裂纹部分则采用常规单元的方式,建立了带穿透性裂纹板的有限元模型。分析了1/4节点位移法、位移外推法、虚拟裂纹闭合法3种方法计算裂纹尖端应力强度因子的特点。根据有限元后处理结果,分别采用以上3种方法计算了裂纹尖端的应力强度因子,结果显示3种方法计算结果一致性较好。研究了载荷、裂纹长度、构件几何参数对裂纹尖端应力强度因子的影响。3种方法的比较分析,对裂纹尖端应力强度因子的计算方法选择具有指导意义。

管道轴向穿透裂纹尖端应力强度因子数值模拟

裂纹是管道中常见的缺陷形式,其应力强度因子是开展管道安全性评价的重要依据。为了准确获得管道中裂纹的应力强度因子,采用1/4节点法建立了求解长输管道轴向穿透裂纹应力强度因子的有限元模型,并将有限元法和解析法求得的应力强度因子进行对比,验证了新建模型的可靠性。分析了内压、裂纹长度、内径以及厚径比对裂纹尖端应力强度因子的影响,同时探究了沿壁厚方向应力强度因子的变化规律。结果表明:内压、裂纹长度的增加,将会导致应力强度因子增大;内径、厚径比的增大,则会使应力强度因子减小,且当内径超过500 mm时,应力强度因子不再随着直径的增加而发生变化;管道外壁处应力强度因子始终高于内壁处,随着内压的增加,裂纹将从管道外壁启裂。采用1/4节点法计算裂纹尖端的应力强度因子,其操作方便、计算精度高,可为开展长输管道的安全评价工作提供参考。(图10,表6,参24)