三维裂纹应力强度因子的有限元计算分析

在大型有限元工程软件ANSYS中,对于裂纹应力强度因子的二维计算已经有了比较完善的方法[1]. 但在对三维裂纹的应力强度因子求解问题上目前所采用的方法主要是靠人工手动地生成节点,然后再生成单元和结构.这种方法工作量大,不利于结构程序化,特别是对复杂结构更为难以实现.本文利用三维实体建立计算模型,对模型进行独特的局部网格划分,以孔边角裂纹为例阐述了在ANSYS中, 三维裂纹应力强度因子计算分析的简捷方法.并将计算结果和现有理论结果进行对比分析,其计算精确程度完全满足工程要求[2].     

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.     

三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数

对三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数进行了研究.基于有限元方法计算了裂纹面承受沿宽度方向的均布、线性分布和2次分布应力时的参考应力强度因子解,建立了形式较为统一、较高精度以及适用范围相对更宽的参考应力强度因子近似表达式.在此基础上获得了三维矩形板1/4椭圆角裂纹的通用权函数,最后采用裂纹面分别承受3次、5次和7次幂函数分布应力下的应力强度因子有限元解对通用权函数的计算精度进行了检验和验证.结果表明:建立的通用权函数相比已有的通用权函数精度由4%(A点)和6%(B点)提高到1.06%(A点)和1.6%(B点),补充验证的7次幂函数分布载荷下的应力强度因子通用权函数解的精度达到3.67%(A点)7.45%(B点).      

干涉预拉伸应力释放对三维裂纹尖端应力强度因子的影响

以干涉孔三维裂纹为讨论对象，应用ANSYS大型工程有限元计算软件，对孔边干涉结构进行分析计算。将干涉预拉伸应力考虑为内部载荷，分别对不同裂纹长度下的含裂纹体进行干涉计算，在不同的干涉状态下直接求解应力强度因子，以此等效地模拟裂纹扩展过程中干涉预拉伸应力释放时应力强度因子的求解。通过计算分析，给出了考虑干涉预拉伸应力释放情况裂纹尖端的应力强度因子，随裂纹长度及模型厚度的改变趋势和规律，并与不考虑干涉预应力释放的情况下，裂纹尖端的应力强度因子进行对比分析。     

带裂纹板在冲击载荷作用下动态应力强度因子的数值计算

 本文使用八节点等参元和六节点畸变等参元的有限元方法,计算了中心穿透裂纹板在冲击载荷作用下的动态应力强度因子,并与Chen和Aberson的计算结果作了比较,本文的结果具有较高的精度和较少的计算量。文中还给出了动载影响系数k₁（t）和静态应力强度因子的关系式。并考虑了材料特性和板的几何尺寸对于动态应力强度因子的影响。     

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.      

超声疲劳裂纹扩展性能的计算与分析

简述了超声疲劳试验机的工作原理以及应用超声疲劳试验技术研究工程结构材料疲劳裂纹扩展性能的实验方法。通过三维有限元计算及动态模态分析,研究了包括整体裂纹扩展试件及聚能器在内的振动体的应力、应变场和位移场,导出了确定裂纹尖端应力强度因子的位移法和能量法,并对这两种计算分析方法的特点以及所得到的结果进行了分析对比。计算与分析结果表明,应用能量法研究超声疲劳载荷下的裂纹尖端应力强度因子及疲劳裂纹扩展性能,具有简明和计算精度高等突出优点。      

数字图像相关方法测量芳纶纤维复合材料I型裂纹应力强度因子

将数字图像相关方法用于芳纶纤维复合材料单边裂纹在拉伸载荷作用下的断裂问题研究。介绍数字图像相关方法的基本原理,建立数字图像相关方法中位移场与裂纹尖端应力强度因子之间的关系。通过搭建数字图像相关方法光学非接触测量系统,试验表征含单边裂纹芳纶纤维复合材料试验件在拉伸载荷作用下的全场位移。由数字图像相关方法所得位移场提取不同载荷作用下裂纹尖端应力强度因子,并分析最小二乘拟合项数、数字图像相关计算子区域和步长大小对计算结果的影响。结果表明,增加最小二乘拟合项次和合理选择数字图像相关计算子区域和步长大小可以提高应力强度因子计算精度。     

铆接加筋板应力强度因子计算中几个问题的研究

给出了采用J积分法计算加筋板应力强度因子时选择积分回路的方法;同时给出了采用刚度导数法计算加筋板应力强度因子时刚度导数的计算方法;另外,还对模拟铆钉连接作用的3种方法进行了初步研究。     

锪窝填充孔孔边角裂纹应力强度因子的有限元分析

对锪窝填充孔孔边角裂纹应力强度因子进行研究对提高结构安全性具有重要意义。根据飞机上常用的锪窝铆接典型结构,运用ANSYS软件对锪窝孔孔边角裂纹进行有限元分析,建立铆钉与锪窝孔接触模拟铆钉对锪窝孔的填充作用。计算得到含铆钉填充以及空孔时锪窝孔边不同裂纹尺寸下裂纹前缘的应力强度因子分布。对比分析结果表明：铆钉填充能显著降低锪窝孔边角裂纹的应力强度因子,提高结构寿命。     

带冠预扭涡轮叶片模态分析及动应力测试验证

介绍了航空发动机带冠预扭涡轮叶片非线性接触预应力模态分析机理,并以ANSYS软件为平台,对某型涡轴发动机动力涡轮叶片进行了模态分析。结果表明：非线性接触预应力模态分析方法得到的叶片盘9～13节径1阶频率与动应力测试频率在变化规律上保持一致,差别基本稳定在12%～13%,计算精度较传统方法有了明显的提高。     

基于Gauss热源模型的BT20钛合金管口激光焊接数值模拟

基于热弹塑性有限元方法,建立激光焊接的热力学计算模型,利用三维有限元分析软件AN-SYS,使用其APDL语言,对BT20钛合金管接头激光焊接过程中的温度场和应力场有限元模拟问题进行了研究.结合数值计算,讨论了激光焊接过程中采用瞬间空冷后,试件内应力的分布情况.     

机身加筋壁板环向裂纹损伤容限试验与分析

机身壁板是飞机结构中的主要承力构件,也是损伤的主要产生部位,研究机身加筋壁板的裂纹扩展规律和剩余强度特性具有重要意义。在轴向拉伸载荷作用下,对含环向裂纹的机身加筋壁板进行损伤容限试验;利用ANSYS有限元软件对试验件进行应力强度因子分析,估算裂纹扩展寿命;基于线弹性断裂力学准则和线弹性断裂力学加塑性修正准则,计算剩余强度特征曲线,并对比分析计算结果和试验结果。结果表明:计算得到的裂纹扩展寿命与试验结果的相对误差为6.3%,满足工程要求;线弹性断裂力学加塑性修正准则估算的剩余强度更为合理,误差仅为2.6%,且偏安全。     

带止裂筋整体翼梁结构的破损安全分析与试验

为了研究带止裂筋整体翼梁结构的裂纹扩展特性,采用ANSYS有限元软件对裂纹尖端应力强度因子进行数值计算,对缩比试验件进行疲劳裂纹扩展试验,当裂纹扩展到止裂筋前时进行剩余强度试验。结果表明:在梁缘条和蒙皮断裂情况下,止裂筋能够降低梁腹板上的应力强度因子幅值,对裂纹扩展起到拟制作用,其能够承担较大的静载荷从而实现破损安全设计,但是用止裂筋阻止疲劳裂纹扩展的效果并不显著;与梁弯曲产生的正应力相比,腹板上的剪应力不足以驱动Ⅱ型裂纹扩展。     

氦气涡轮转子系统整体数值仿真研究

针对氦气涡轮转子系统中各构件复杂的非线性接触关系及结构强度问题,采用Pro/E建模软件对氦气轮机转子系统进行了3维实体造型,并利用ANSYS软件进行了数值仿真强度分析。真实模拟了涡轮转子在4种工况下的应力分布以及变形趋势。结果表明:除接触应力和开孔处应力较大外,在转子轴系整体强度计算中,各级轮盘盘心处应力较大。根据各工况下的计算结果比较分析得出,离心力对盘心处的应力影响最大,对温度场的影响次之。     

基于Pro/E和ANSYS的齿轮接触应力的有限元分析

为了避免因齿轮折断、齿面损伤及塑性变形等因素引发的生产事故,有必要对齿轮接触状态的强度性能进行分析和评估。基于Pro/E平台,通过参数化方法建立齿轮模型,用IGES文件格式将模型导入ANSYS软件中,用有限元方法对齿轮节点处的接触应力进行了分析,进而精确分析了齿轮结构强度和可靠性。     

塑性工作内衬复合材料气瓶结构设计研究

为提高航天复合材料压力容器（COPV）性能因子,COPV壳体常采用超薄壁塑性工作金属内衬和高强碳纤维缠绕的双层壳体结构。通过对传统的网格理论进行优化,提出了塑性工作内衬COPV结构静力学计算的算法,联立求解各内压载荷阶段的静力学平衡方程和应变协调方程,对COPV纤维与内衬应力应变进行计算和分析。利用ANSYS有限元软件,根据复合材料层合板理论和内衬弹塑性理论完成了COPV的有限元建模和分析计算,有限元应力分析结果和本算法解析解法计算结果一致。根据本算法对卫星推进系统用COPV进行了结构设计和工程研制,COPV工作压力和爆破压力分别为30MPa和60MPa,COPV鉴定试验结果满足技术要求。结果表明：本算法能够得到塑性工作内衬COPV准确的应力应变解析解,可用于塑性工作内衬COPV的结构设计。