含多裂纹对接板应力强度因子三维有限元分析

应力强度因子（SIF）分析是含多部位损伤（MSD）结构的裂纹扩展分析及寿命预测的基础,对于连接结构采用简化模型难以考虑次弯曲、铆钉变形等因素影响。本文建立了含MSD对接板的三维有限元模型,研究了不同损伤模式、设计构型和约束条件下的裂纹尖端SIF分布特性以及随裂纹长度的变化规律。结果表明,孔边裂纹Ⅰ型SIF起主导作用,Ⅱ型和Ⅲ型SIF可忽略不计;由于次弯曲效应,SIF从外表面到内表面近似呈线性关系逐渐增加;MSD裂纹之间存在较强的干涉作用,且裂纹间距离越短数量越多,干涉作用越强;SIF随拼接板厚度增加呈先增加后降低的趋势,原因是拼接板刚度和铆钉柔度对铆钉载荷传递有一定影响;采用埋头铆钉会使SIF值增加,且内外表面差异变得更大;反翘曲约束对裂纹尖端SIF均值影响很小,但能显著降低SIF沿厚度方向的变化。     

广布损伤的试验研究与有限元分析

 通过对无钉载3排平行孔平板和无钉载3排交错孔平板从无裂纹开始的疲劳试验,发现应力大小对是否出现广布损伤(MSD)有重要影响,首裂孔和断裂排位不总是一一对应。在试验中观察到了MSD的竞争现象,证实了群发小裂纹也是MSD中一种重要的破坏形式。采用FRANC2D/L建立了对生裂纹、非对生裂纹和单裂纹3种开裂模式的有限元模型。计算结果表明:短裂纹扩展过程中,裂纹间干涉效应不明显,3种模式的应力强度因子增长趋势相近;而对于长裂纹,试验和有限元计算都证明了裂纹间的干涉显著地加快了裂纹的扩展。     

含多处损伤搭接结构应力强度因子有限元分析

 采用铆钉的两种表现形式（详细杆元和简化的弹簧元）的组合方式建立了含多处损伤(MSD)多铆钉搭接结构的有限元模型，通过分析得到了不同损伤模式下的应力强度因子(SIF)随裂纹扩展历程变化规律的曲线。结果表明，相对于单裂纹和无腐蚀情况，MSD和腐蚀损伤都会增加SIF值，当裂纹间距大于孔间距一半时，可不考虑裂纹间干涉效应；在给定的循环应力幅下，应力强度因子幅随干涉量的增加而降低，但干涉量大到一定值时，SIF对其不再敏感；铆钉材料对SIF的影响很小，而铆钉直径增大20%，SIF约增加6%。反平面翘曲对SIF有很大的影响，相对于无反平面翘曲，SIF下降一个数量级。     

多处损伤特性的研究

对老龄飞机结构中存在的多处损伤 ( MSD)进行了研究。从 MSD试件的裂纹扩展实验中得出 :MSD服从净截面屈服破坏准则 ;MSD使剩余强度明显降低,临界裂纹尺寸大大减小,裂纹扩展寿命显著缩短,从而使损伤容限能力减退,破损安全不复存在。试用组合法求解 MSD裂纹的应力强度因子,并将其用于 MSD裂纹的扩展分析,所得裂纹扩展寿命计算结果与实验符合良好     

微动疲劳结构应力强度因子有限元分析

 采用ABAQUS软件建立了铝合金的圆柱/平面接触微动疲劳结构有限元全局模型和子模型,运用该模型将计算的应力值与解析解进行比较,结果相当吻合,证明了本文有限元模型及方法的有效性。最后在FRANC2D/L中用接触区的正应力和剪应力代替压头,重建子模型。通过分析得到了不同影响因素下应力强度因子（SIF）随裂纹扩展历程变化规律的曲线。结果表明,外加循环应力是影响SIF的最主要因素,SIF随循环应力的增加而增加。在微动疲劳影响深度区内,SIF随接触压力P、摩擦因数f以及Q/(fP)（Q为切向力）的增加而增加。Q/(fP)的影响最大,摩擦因数的影响最小,接触压力介于二者之间;超过该深度,SIF对其不再敏感。     

双向梯度复合材料裂纹尖端应力强度因子研究

为了进一步改善梯度复合材料力学分析及设计水平,推导了一种适用于双向梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元法(XFEM).采用细观力学方法描述材料沿梯度方向变化的力学属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展单元随空间位置变化的刚度矩阵,建立了结构的连续梯度有限元模型,并采用交互能量积分计算得到了裂纹尖端的应力强度因子(SIF).通过与已有文献结果对比验证了梯度扩展单元的优越性,并讨论了双向梯度结构中相关参数对SIF的影响规律,得到结论:梯度扩展单元能够提高梯度材料中裂纹尖端SIF的计算精度,其计算结果随着网格密度的增加迅速收敛于精确解;双向梯度结构的组份分布形式和属性梯度能够明显影响裂纹尖端的SIF;对于多裂纹双向梯度结构,裂纹间的相互作用增大了裂纹尖端的SIF,弹性模量大的一侧SIF较大.     

改进的载荷循环分间隔法计算工程中MSD裂纹疲劳扩展问题

 由多部位损伤(MSD)裂纹的扩展特性,归纳总结出裂纹扩展过程中两类影响裂纹扩展速度的因素,给出在循环载荷作用下基于Pairs公式的裂纹扩展增量的递推公式。根据这一递推式,推导出数个循环载荷作用下裂纹扩展长度的近似算法。〖JP2〗同时,采用了变间隔分段处理方法。在评估了传统的载荷循环分间隔法的前提下,讨论了该方法的实现方式和所具有的优点。结合这两类改进方法,对一排共线孔有限宽薄板受远场均匀载荷作用的试样进行了计算分析,并与试验值和传统的载荷循环分间隔法的计算值做了比较。可以看出,对于普通的载荷循环分间隔处理方法,本文所提的改进方法能极大地提高结构件疲劳寿命的估算精度。对长寿命、大规模的MSD结构件使用此方法,能够在显著减小其计算规模的同时,得到一个较为精确的保守解。     

陶瓷基复合材料基体裂纹偏转能量释放率研究

采用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算了基体裂纹在界面处不同传播路径的能量释放率,并结合基于能量释放率的裂纹偏转准则对陶瓷基复合材料基体裂纹偏转进行了研究.计算了弹性错配参数α和β、基体裂纹扩展长度a、基体裂纹相对扩展长度ad/ap对裂纹偏转的影响,并将VCCT计算结果与积分法的计算结果进行比较.结果表明:VCCT能够准确计算基体裂纹扩展时的能量释放率,计算结果可为研究陶瓷基复合材料失效机制提供一定参考.      

基于FRANC3D的飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展分析

为了研究飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展情况,建立含裂纹蒙皮有限元模型,利用FRANC3D裂纹分析软件计算蒙皮三维裂纹前缘应力强度因子,研究不同网格参数对计算结果的影响,并与解析解进行比较,确定裂纹前缘网格参数取值范围,然后对蒙皮表面裂纹在随机疲劳载荷谱下的裂纹扩展过程进行分析,得出裂纹扩展长度-载荷循环次数曲线,该曲线对于采用数学模型评估结构剩余寿命方面具有一定的参考价值。     

基于有限元的双轴载荷状态下自动裂纹扩展分析

利用Python脚本语言对Abaqus进行了二次开发,预测双轴载荷状态下裂纹扩展轨迹。对双轴载荷下中心带孔板的裂纹扩展进行了模拟,并与FRANC2D得到的计算结果进行比较。结果表明利用二次开发程序计算得到的裂纹扩展轨迹及其断裂参数与FRANC2D得到的结果基本一致,计算结果是可靠的;利用二次开发程序对双轴载荷状态下的进行裂纹扩展分析能够有效减少计算时间,提高计算效率。     

锪窝孔边扇形角裂纹应力强度因子的三维有限元分析

 根据航空等领域内锪窝铆接及锪窝锣接构件的典型结构特征,采用三维的十节点四面体等参有限单元模型,分别对无裂纹及孔边含裂纹锪窝孔 /直通孔结构进行了模拟分析;得到了锪窝孔构件的危险部位及90°,120°锪窝孔边扇形角裂纹的应力强度因子,给出了覆盖面广的计算曲线;通过对计算结果的分析,讨论了裂纹长度、孔径以及板厚等因素对应力强度因子的影响。和已有的文献比较表明,本文数值结果精确,方法可靠。     

裂纹参数和筋条布局对共振九宫板动态应力强度因子的影响

由于裂纹的出现会改变振动结构的断裂行为,本文建立了含中心裂纹九宫板结构的有限元模型并采用模态叠加原理快速求解出该结构在共振条件下的裂纹尖端应力强度因子（SIF）,然后分析并讨论了裂纹参数（偏转角度和裂纹长度）及筋条布局对应力强度因子的影响。结果表明：随着裂纹偏转角度的增加,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型应力强度因子最大值分别表现出不同的变化趋势（单调增加、无显著变化、先增加后减小）;裂纹长度同时影响应力强度因子最大值和裂纹类型;对于裂纹参数相同的九宫板,筋条布局改变了结构的模态振型,从而导致不同裂纹类型出现;特别地,当九宫板中央区域为正方形时,应力强度因子最大值和裂纹类型对裂纹偏转角度不敏感。     

Research on the Plane Multiple Cracks Stress Intensity Factors Based on Stochastic Finite Element Method

Taylor stochastic finite element method (SFEM) is applied to analyze the uncertainty of plane multiple cracks stress intensity factors (SIFs) considering the uncertainties of material properties, crack length, and load. The stochastic finite element model of plane multiple cracks are presented. In this model, crack tips are meshed with six-node triangular quarter-point elements; and other area is meshed with six-node triangular elements. The partial derivatives of displacement and stiffness matrix with respect to all the random variables obtained by Taylor SFEM are derived. Meanwhile, the mean and variance expressions of SIF under uncertain factors are also derived. Parallel double-crack illustrative example of using the proposed method is given. The calculation results indicate that the uncertainty of SIF is influenced by the distance of the cracks, the smaller the distance of cracks is, the greater the SIF uncertainty is, and the uncertainties of material elastic modulus, load and crack length markedly affect the uncertainty of SIF; and the Poisson ratio of material has little influence. Among the variables, the elastic modulus has the greatest effect on SIF uncertainty. The next is external load. The crack length has lower effect on SIF uncertainty than both the elastic modulus and external load.     

含多处损伤未加筋铝合金-壁板的剩余强度

 进行了含多处损伤（MSD）的未加筋LY12CZ铝合金壁板的剩余强度试验。用0.12的钼丝切割预制裂纹,在垂直于裂纹面的方向施加单调增加的拉伸载荷,直至壁板破坏。得到了含不同裂纹几何的未加筋壁板的剩余强度。试验结果表明随着主裂纹长度增加,未加筋壁板的剩余强度减小;对相同的主裂纹长度,主裂纹和相邻的MSD裂纹之间的距离b减小,平板的剩余强度也减小。用5种失效准则分别计算了每个壁板的剩余强度。与试验结果的比较表明,净截面屈服准则和表观断裂韧性准则的误差较大,塑性区连通准则预测的平均误差为22.17%,改进的表观断裂韧性准则的平均误差为16.98%,而改进的塑性区连通准则预测的平均误差为8.27%,改进的塑性区连通准则大大提高了预测结果的精度。     

双向受载裂纹板的胶接修补效果分析

运用有限元方法,分析了双向受载裂纹板胶接复合材料补片后,裂纹尖端的应力强度因子、补片内的最大拉伸应力和胶层内的最大剪切应力。没有补片时,平行于裂纹方向的拉压应力对裂纹尖端的应力强度因子没有影响。而裂纹板经复合材料补片胶接修补后,平行于裂纹方向的拉压应力对裂纹尖端的应力强度因子具有耦合效应,并且这种耦合效应的大小与补片的铺层含量有很大的关系。     

基于多损伤的飞机结构可靠性研究

多损伤是影响老龄飞机结构完整性的重要因素之一,回顾了国内外飞机结构多损伤研究现状,介绍了多损伤应力强度因子的计算方法和多裂纹连通准则,对飞机结构多损伤裂纹扩展模型和可靠性分析进行了研究,为合理制定飞行计划,充分发挥老龄军用飞机的使用功效、保障飞行安全提供了理论基础。     

含裂纹板的振动

 本文研究了含裂纹板的振动。在估计出弯矩、扭矩和剪力联合作用下有限尺寸板的应力强度因子之后,提出了一种有限元法。以四边简支方板为例,计算了具有不同长度中心穿透裂纹板的固有频率,与已有文献获得的结果一致。该法的优点是大大地节约了计算时间,为含裂纹结构的振动分析提供了一种新的途径。