基于有限元技术的疲劳裂纹扩展方法研究进展

疲劳裂纹是引起工程结构断裂失效的重要因素之一.目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真商业软件有ANSYS、ABAQUS、FRANC3D、ZENCRACK等,这些软件为疲劳裂纹扩展过程的研究提供了有力支撑.本文对目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真方法进行了综述.阐明了疲劳裂纹的定义以及研究疲劳裂纹扩展行为的必要性;介绍了三种用于模拟疲劳裂纹扩展的有限元方法:扩展有限元法(XFEM)、内聚力模型(CZM)和虚拟裂纹闭合技术(VCCT);分别总结了三种方法的基本理论和核心思想,对三种方法的应用与发展进行了分类归纳;最后对三种有限元方法进行分析,指出每种方法各自的优势及目前存在的局限性,并对疲劳裂纹扩展有限元仿真技术的未来改进方向给出了建议.

基于均匀网格的复合材料层合板分层损伤建模

基于扩展逐层法(XLWM,extended layerwise method)、多维最大熵原理和分层前缘跟踪算法,建立了一种用于分析复合材料层合板分层损伤的均匀网格快速建模和分析方法(FUGD,fast uniform-grid delamination)。利用该方法可通过C扫描(或X射线)图像和二维均匀有限元网格快速建立分层损伤分析模型。首先,基于多维最大熵原理和扫描图像上的像素点灰度值重建分层区域,处于分层区域的有限元节点被标记为分层节点;然后,通过分层前缘跟踪算法和已标记为分层的节点精确地跟踪分层前缘;最后,以含方形、圆形、双圆形分层区域的方形层合板为例,验证该方法的有效性。

传统压痕法识别陶瓷材料断裂韧性的有效性研究

基于虚拟裂纹闭合法对传统压痕法测试陶瓷材料断裂韧性的数值模型进行计算,以此为基础,分析比较传统压痕法的几种典型公式识别陶瓷材料断裂韧性的测试误差和所测材料的适用范围。结果表明:传统压痕法的Anstis公式较Evans公式,Lawn公式,JISR公式和Niihara公式,在材料比功0.3≤We/Wt≤0.45时所测断裂韧性值与理论计算值较为接近,其最大误差为12.9%,测试结果相对准确;当0.45<We/Wt≤0.7时,传统压痕法对陶瓷材料断裂韧性的测试误差随比功增加迅速增大,特别是当We/Wt=0.7时,Anstis公式,Evans公式,Lawn公式,JISR公式和Niihara公式所测断裂韧性值与理论计算值的最大误差分别为70%,148.5%,48.8%,98.7%和166.6%,在此材料比功范围内传统压痕法所测断裂韧性值误差较大。

基于光滑有限元的含裂纹复合材料的虚拟裂纹闭合法

为提高求解断裂参数的精度和效率,将光滑有限元法与虚拟裂纹闭合法相结合,提出光滑有限元-虚拟裂纹闭合法.对含不同长度和角度的倾斜裂纹复合材料圆板的断裂参数进行了求解,并与有限元-虚拟裂纹闭合法计算结果进行了对比.数值算例结果验证了该方法具有高精度,裂纹尖端处单元不需特殊处理,对网格尺寸要求低等优点,是分析断裂问题简洁高效的数值计算方法.

基于海洋环境的CFRP加固含裂纹钢板拉伸性能试验研究

应用虚拟裂纹闭合法建立模型,模拟塑性钢板的破坏过程。提出了考虑环境防护的加固工艺方案,进行有限元仿真分析及试验验证。利用环境试验设备模拟交变湿热、太阳辐射老化、盐雾等南海典型环境,分析南海环境因素对加固胶层脱粘前的最大载荷及脱粘位移的影响。研究表明,虚拟裂纹闭合法可准确地模拟含裂纹结构加固前后的受力情况,环境因素对CFRP加固结构的最大脱粘载荷基本没有影响,但最大脱层位移显著降低。这表明环境因素对粘接剂的延伸率有一定的影响。

基于小波有限元法的虚拟裂纹闭合法

为了弥补传统有限元在处理复杂结构断裂参数数值计算中的不足,将小波有限元应用到断裂力学数值计算中,提出了一种新的基于小波有限元的虚拟裂纹闭合法。该方法将哑节点断裂单元镶嵌到含裂纹结构的小波有限元模型中,利用虚拟裂纹闭合法计算能量释放率和应力强度因子。将计算结果与传统有限元和ANSYS模拟结果比较。结果表明:2个小波单元求解结果与传统有限元和ANSYS模拟结果基本吻合,与解析解相对误差不超过3%,表明该方法具有计算量小、方法简便和计算精度高的优点,为工程中复杂结构断裂参数数值计算提供了一种新方法。

虚拟裂纹闭合法在MSC.Patran中的二次开发

讨论了虚拟裂纹闭合法在工程软件中的实现策略,以MSC.Patran为平台,利用其强大的前后置后处理功能,使用PCL语言开发了二维和三维虚拟裂纹闭合法计算模块和用户图形界面,通过二维和三维算例验证了虚拟裂纹闭合法计算模块的正确性。

基于光滑边域有限元法的二维裂纹扩展分析

为了提高预测裂纹扩展路径的准确性和效率,本文将光滑边域有限元法和虚拟裂纹闭合法相结合,利用常应变三角形单元,获得裂纹尖端处的断裂控制参量应力强度因子,并运用最大拉应力准则求得裂纹在荷载作用下的启裂方向,对裂纹扩展轨迹给出自动跟踪方法;对三个典型二维裂纹扩展模型,预测了裂纹扩展路径,并将结果与参考文献中的结果进行对比,验证方法的有效性与准确性。数值结果表明:该方法具有单元简单、网格尺寸要求低、裂纹尖端处单元不需特殊处理等优点,是分析裂纹扩展问题简洁高效的数值计算方法。

裂纹间距及铺层角度对复合材料分层的影响

分层问题是复合材料层合板最常见问题,据统计约60%的层合板失效都与分层相关。通过基于虚裂纹闭合技术(VCCT)的重合网格法(S-FEM),分析了不同铺层角度及裂纹间距对应变能释放率的影响。由分析结果可看出,应变能释放率随铺层角度增加而减小;在裂纹尖端距离相对较小时,距离对能量释放率的影响要远大于铺层角度变化的影响。

受剪切应力作用的表面裂纹应力强度因子研究

应用改进的三维虚拟裂纹闭合方法研究了受远端剪切应力作用的有限大体半椭圆表面裂纹复合型应力强度因子分布,并讨论了整个裂纹前缘复合型应力强度因子分布随裂纹形状变化和结构参数变化的规律。研究发现在自由表面附近,Ⅲ型应力强度因子分布受角点应力奇异性影响较大,在自由表面附近出现转折,但转折现象与裂纹形状参数有关,当裂纹形状比a/c≤0.6时,应力强度因子分布曲线光滑,表现为经典的角点奇异性。

应用改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹应力强度因子

基于有限元计算结果计算结构的能量释放率,利用能量释放率来计算结构的应力强度因子。本文对现有的虚拟裂纹闭合方法作了改进,即应用本文改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,裂纹前缘的裂纹面可以是任意形状,且裂纹前缘的有限元单元宽度可以不等。文中以三维表面裂纹为例,应用改进的虚拟裂纹闭合方法计算了该结构的应力强度因子,同时讨论了裂纹前缘有限单元宽度对应力强度因子的影响。

基于虚拟裂纹闭合法分析研究构件应力强度因子的计算

在分析应用二维及三维虚拟裂纹闭合法计算裂纹尖端应变能释放率的基础上,将三点弯曲试样的应力强度因子解析解与以ANSYS为平台,应用虚拟裂纹闭合法所得计算结果进行对比.结果表明,解析解与虚拟计算结果相当吻合,说明虚拟裂纹闭合法可用于三点弯曲试样的数值分析与计算.

碳纤维布加固松木梁受弯试验

为研究碳纤维布加固矩形松木梁的受弯性能,通过抗弯性能试验,并结合有限元数值计算,研究了弹性模量、碳纤维布层数、初始裂缝与抗弯承载力之间的关系;在给定的2种初始裂缝情况下,采用虚拟裂纹闭合法进行应力强度因子计算,并使用最大周向应力准则作为断裂判据;基于试验数据和有限元计算结果,提出碳纤维布加固松木梁抗弯承载力的计算公式。结果表明:松木梁经碳纤维布加固后,其抗弯承载力提高幅度为12.9%~34.5%;松木梁截面应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定;当碳纤维布弹性模量在加固松木梁弹性模量30倍以内时,随着碳纤维布弹性模量的增加,木梁的抗弯承载力显著升高,但超过这一限值后,提高速度逐渐减慢;计算得出松木梁在考虑初始裂缝情况下的抗弯承载力削减幅度为6.5%~27.3%,并且刚度有一定程度降低;综合考虑计算结果与经济效应,可以认为加固矩形松木梁时使用3层或4层碳纤维布加固最为合理。

含裂纹功能梯度板能量释放率的ABAQUS用户子程序开发

为求解含裂纹功能梯度板的动态能量释放率,提出了基于非均匀有限元法的虚拟裂纹闭合法.基于有限元软件ABAQUS平台,开发了动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元,编写了用户自定义子程序UMAT和UEL,求解了动态载荷作用下的含裂纹功能梯度板能量释放率分量.对不同形状因子下的中心和倾斜裂纹功能梯度板的动态能量释放率分量进行了求解,并转化为动态应力强度因子,与差分法作比较.数值算例结果表明,动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元具有精度高、简捷方便、裂尖无需使用奇异元或特殊单元和子程序通用性强等优点,为工程师求解动态断裂参数提供了新途径.

基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法

为提高含裂纹压电材料断裂参数的求解效率和精度,基于扩展无网格理论,引入无网格辅助网格结合哑节点断裂压电单元,提出了基于扩展无网格法的机电虚拟裂纹闭合法,可很好地模拟裂纹尖端奇异性,简化求解过程,提高计算精度;并讨论了不同高斯点个数、不同裂纹长度对能量释放率计算结果的影响,与解析解和基于有限元法的机电虚拟裂纹闭合法计算结果进行比较。数值算例结果表明所提方法正确可行且具有较高的精度。

MSC.Patran中能量法计算断裂力学参数的应用

介绍了有限元中能量法,包括虚拟裂纹闭合法(VCCM)及等效区域J积分(EDI)计算线弹性断裂力学参数的思路,使用PCL语言在MSC.Patran中开发了能量法计算应力强度因子的模块。该模块可用于任意二维线弹性断裂力学参数的求解,最后通过算例验证了该模块的计算结果,并讨论了网格对计算精度的影响。

固体火箭发动机推进剂/衬层界面粘接性能的仿真研究

为了研究适用于描述固体火箭发动机粘接界面的界面力学模型及其修正方法,分别采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、内聚力模型(CZM)和扩展有限元法(XFEM),模拟了固体火箭发动机推进剂/衬层界面的I型脱粘试验。其中,自编译了多项式型和指数型内聚力模型,采用XFEM-CZM耦合的方法解决了XFEM无法在界面边界扩展的问题,并对比分析了各个模型加载点处的载荷-位移曲线与试验曲线的吻合度,发现利用VCCT、CZM和XFEM方法构建的界面模型可以较好地预估裂纹的扩展过程,能够反映粘接界面的力学特性。同时,为探索模型优化所需研究的参数,通过调整各个模型相关的界面参数值,分析了界面参数对数值仿真曲线的影响,并采用了基于Hooke-Jevees算法的反演识别。研究结果表明,界面力学参数对界面模型具有显著的影响,基于Hooke-Jevees算法的反演识别能够实现对三种模型相关参数的修正。

三维裂纹前缘参数化网格模型研究

为实现三维疲劳裂纹扩展自动模拟及获得更高精度的应力强度因子,在实体参数化建模的基础上,自编程开发了两种参数化裂尖网格模型,分别对应奇异元法和虚拟裂纹扩展法(VCCT法)计算应力强度因子,且两种参数化网格可互换以便相互验证。两种裂纹模型均精心设计,裂纹前缘网格正交,过渡均匀,疏密可调。与解析解的对比结果表明,两种参数化网格模型均有很高的计算精度,可为一般工程结构获得较高精度的应力强度因子结果提供技术支持。

虚拟裂纹闭合法计算陶瓷材料断裂韧性的有效性研究

基于有限元Abaqus软件,采用虚拟裂纹闭合法的基本原理对ISO15732-2003所提SEPB法测试陶瓷材料断裂韧性进行有限元数值计算.以Si3N4、ZrO_2、Al_2O_3、ZTA、SiC五种陶瓷材料SEPB法标准实验为例,分别将虚拟裂纹闭合法计算所得断裂韧性值与标准实验测试值进行对比.结果表明:Si3N4、ZrO_2、Al_2O_3、ZTA、SiC五种陶瓷材料断裂韧性的数值计算值与实验测试值较为一致,其偏差仅分别为1.77%、1.76%、1.82%、1.55%和1.82%.进一步验证了虚拟裂纹闭合法计算断裂韧性值的有效性,同时为该方法的工程应用提供一定的理论基础.

胶接双悬臂梁极限载荷影响因素分析

为了更加精确地计算风电叶片厚胶层胶接接头的极限承载能力,给出了一种基于虚拟裂纹闭合技术的胶接接头有限元建模方法,研究了粘接胶厚度和铺层结构弯曲刚度对胶接双悬臂梁极限承载能力的影响。首先,给出了基于虚拟裂纹闭合技术的胶接接头极限载荷计算的有限元建模方法;然后,建立了胶接双悬臂梁试验件的有限元模型,并预测了剥离载荷作用下的极限承载能力;最后,基于胶接双悬臂梁的有限元模型,计算了不同粘接胶厚度和铺层刚度下的双悬臂梁极限承载能力。研究结果表明:胶接接头开裂行为可以采用虚拟裂纹闭合法进行模拟,模拟结果与试验结果吻合良好;随着粘接胶厚度的增加,胶接结构承载能力增加;随着铺层结构弯曲刚度的增加,胶接结构极限承载能力增加;基于虚拟裂纹闭合法的胶接接头建模方法,可以用于风电叶片厚胶层胶接接头的失效模拟。