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.     

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。     

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。     

涡轮盘的损伤容限分析

本文是“断裂力学在涡轮盘上应用”课题研究的总结。研究工作紧密结合某发动机Ⅰ级涡轮盘槽底裂纹的实际问题,得出涡轮盘损伤容限设计方法。根据工程实际,提出适于涡轮盘裂纹尖端参量J积分计算的二次计算法,及确定涡轮盘临界裂纹长度a_(IC)的准则和方法。在裂纹扩展寿命计算中,采用大量实际统计数据修正计算公式,故有工程应用价值。     

受三点,四点弯曲半圆形单边裂纹SIF的研究

本文提出用以确定就力强度因子的一个新的由光弹性与权函数两种方法相结合的混合法，用此方法经济有效地求解了含单边裂纹半圆形板受三点及四点弯曲时的应力强度因子，并与和了比较，二者符合良好。同时还分别给出了应力强度因子随载荷位置和裂纹长度变化的情况。本方法为断裂力学的研究和工程应用提供了一个有效的手段。     

尖端具有非线性吸附接触的界面裂纹的动态特性研究

 研究一类尖端具有非线性吸附接触型裂纹模型的弹性波散射问题。利用积分变换和积分方程方法推导了确定这类问题基本变量的奇异积分方程组,采用围道积分技术和切比雪夫多项式展开技术得到了待定系数的非线性代数方程组。最后给出了裂纹尖端接触区的大小和接触应力的数值结果,揭示了这种接触型裂纹模型的动力学特征及物理上的合理性。     

复合型裂纹疲劳扩展规律的研究

本文较全面地研究了复合型裂纹疲劳扩展规律。在线弹性断裂力学理论下,将广义J积分用于解决复合型裂纹疲劳扩展问题,建立了一种新的裂纹扩展速率表达式。采用一种由CTS（Compact Tension and Shearing）试件和特殊传力器组成的新型断裂力学实验装置进行了复合型裂纹疲劳扩展实验。     

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。      

老龄飞机广布疲劳问题研究综述（续）

3.2应力强度因子（SIF）的研究 WFD的应力强度因子是裂纹扩展分析和剩余强度求解的基础,是含裂纹结构的损伤容限分析的首要任务。应力强度因子反映了裂纹尖端附近应力场强度强弱的程度。由于多裂纹结构的形状、边界、受力的复杂性以及裂纹形态的多样性,加之裂纹扩展时的相互作用,增加了对多裂纹结构应力强度因子研究的难度和复杂性,使得解析法在数学上往往难以描述和求解,因此众多研究学者大都采用数值方法进行分析计算。     

含MSD铝合金平板的剩余强度试验研究

针对飞机结构中日趋显著的多部位损伤(MSD)问题,进行含多部位损伤铝合金平板结构剩余强度的试验研究.试验中使用三种不同的试验件,将其在相同应力水平下预制出一定长度的多条裂纹后拉断,记录断裂时的载荷.试验结果与常用的五种评估含多裂纹结构失效准则进行计算分析和对比,了解各个准则的准确程度.最后的对比表明,五种估算剩余强度的方法中,净截面失效和裂纹尖端张开位移法误差较大,断裂力学估算方法对于有显著主裂纹的情况更适用,塑性区连通和平均应力准则预测的偏差较小.     

复合材料贴片修补内部穿透裂纹的粘弹性分析

 本文研究用复合材料贴片修补含裂纹弹性板件的强度分析问题,着重考虑贴片或胶粘剂的各种粘弹性性质。获得了裂纹尖端应力强度因子及其随时间的变化关系,论述了复合材料贴片修补技术对结构强度的影响与作用。     

多处损伤的疲劳裂纹扩展分析方法研究

多处损伤（ＭＳＤ）影响老龄飞机结构完整性的重要因素之一。本文以线弹性断裂力学为基础，建立了一套工程适用且具有良好预测精度的ＭＳＤ疲劳裂纹扩展分析方法。     

整体复合材料结构分层特性研究进展（一）

整体复合材料件越来越多地被用作现代航空航天器的主承力结构,而分层是其最易出现的破坏形式。本文作为整体复合材料结构分层特性研究综述的第一部分,重点介绍界面断裂力学和应力分析方法。论文首先对复合材料失效和分层研究进行了简要的回顾,然后详细介绍了界面断裂力学发展的历史、基本公式和在复合材料分层研究中的应用,并且介绍了几种界面裂纹尖端场的求解方法——J积分、修正的裂纹闭合积分（Modified Crack Closure Integral）和M积分法。其次,对应力分析在复合材料分层研究中的应用进行了简要的回顾。     

含MSD共线多孔平板应力强度因子有限元分析

利用FRANC2D/L对含MSD某型飞机增压舱蒙皮搭接接头进行了有限元分析,得到了不同损伤模式下的应力强度因子(SIF)的计算曲线,和已有的文献比较表明,数值结果精确,方法可靠,即不同长度裂纹的SIF计算可有效地通过FTRANC2D/L的裂纹扩展功能来实现。计算结果表明,在某些情况下,MSD裂纹的SIF可按单裂纹的SIF进行计算;影响MSD裂纹SIF的因素主要是临近裂纹的长度、裂纹间或裂尖与钉孔间的距离。最后给出裂纹连通前后MSD裂纹SIF随裂纹扩展历程变化的规律。     

粉末冶金涡轮盘裂纹扩展寿命分析

采用J积分方法建立了断裂力学有限元模型,对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟,分析了材料的裂纹扩展规律。计算结果与试验结果吻合很好,表明了分析方法的准确性及可行性。将该方法加以拓展,建立了含有不同尺寸缺陷的粉末盘断裂力学有限元模型,并对其裂纹扩展寿命进行了评估。与传统预测方法相比,该方法将给出更为实际的结果,可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析。     

搭接缝焊接头疲劳强度的断裂力学分析

从线弹性断裂力学的角度出发,用一个断裂力学参数Kθ来表征缝焊接头的疲劳强度,并用有限元法对影响Kθ的各种因素进行了分析,得出了计算Kθ的经验公式。通过疲劳试验,得到两种材料(GH150和1Cr18Ni9Ti)缝焊接头的△K-N曲线,运用△K-N曲线可以更准确地估算各种复杂形式的缝焊接头的疲劳寿命。      

疲劳裂纹尖端残余应力场的深度-传感压痕测试与有限元分析

 飞机和发动机等重要装备承力结构在服役过程中通常承受变幅疲劳载荷作用。直接测量和分析由于过载塑性变形而导致的裂纹尖端附近残余应力场,对于较好地理解变幅加载下疲劳裂纹扩展行为,从而改善和发展疲劳寿命预测模型具有重要价值。本文基于微细尺度的深度-传感压痕(DSI)残余应力测量技术,研究了材料疲劳裂纹尖端附近残余应力场的实用测试技术,获得了铝合金中心裂纹拉伸试样在恒幅及单峰疲劳过载作用下裂纹尖端附近的残余应力场分布。同时,还采用弹塑性有限元方法模拟分析了相同疲劳载荷下裂纹尖端附近相应的残余应力场分布。相互验证表明:两种方法获得了基本吻合的结果。     

二维裂纹转折机理研究

以紧凑拉伸试验件为研究对象，研究了二维裂纹转折的数值模拟问题。基于有限元模型，采用域积分法计算断裂力学参数，二阶线弹性断裂力学理论计算裂纹转折角，更新生成新裂纹，通过循环模拟出裂纹转折路径。在ABAQUS／CAE平台上采用Python编程语言开发了二维裂纹转折模拟程序，通过算例验证其正确性，并对裂纹转折机理进行初步探讨。     

三维光弹性测定应力强度因子K_Ⅰ的综合法

对利用三维光弹性试验数据计算应力强度因子K_I,提出一种新的算法--综合法。此法既解决了所需测量区域内条纹信息少的弱点,又克服了因裂纹尖端“钝化”而无法测到裂尖精确条纹值的困难。试验与计算结果表明此法误差小、精度最高。可应用测定受复杂载荷并具有复杂边界条件结构的应力强度因子。     

带裂纹楔型梁动力特性研究

由于裂纹存在引起构件局部柔度的变化，本用线弹性断裂力学理论导出裂纹所释放的应变能。由Castigliano定理得出局部柔度矩阵诸元素，据此来修正楔形梁的刚度矩阵，借助梁有限单元法，求解带裂纹楔形梁的动力特性，并对裂纹相对深度，裂纹位置，梁的长宽比，宽厚比，厚度斜度等几何因素对固有频率的影响进行了数值研究和相应的振动响应试验。