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。

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。

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。

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。

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。

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.