椭圆孔边角裂纹应力强度因子的权函数求解方法

 飞机结构中一些用作检查的开口常常设计为椭圆孔，椭圆孔边三维裂纹应力强度因子的计算是该类结构损伤容限分析的关键技术。应用组合法思想构造了椭圆孔边裂纹的权函数，给出片条合成法求解含椭圆孔边三维角裂纹应力强度因子的求解方法，计算了椭圆孔边角裂纹受远方拉伸情况下的应力强度因子，研究了椭圆孔曲率半径对应力强度因子的影响，给出可供工程参考的结果和结论。     

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).      

复杂载荷下偏心穿透裂纹应力强度因子的计算方法

提出了三维矩形平板内偏心穿透裂纹承受复杂非线性载荷下,仅含有3个系数的通用权函数。采用有限元法获得了三维矩形平板裂纹体模型下的3组参考应力强度因子,结合二元拉格朗日插值法获得了通用权函数系数。进行了自洽性验证以及裂纹面上承受简单3次、5次、7次、复杂幂函数应力分布和残余应力分布下通用权函数的验证。结果表明,通用权函数的自洽性误差在0.9%以内;裂纹面上承受复杂幂函数应力分布时,通用权函数法的误差在4.5%以内;裂纹面承受残余应力分布载荷时,通用权函数法的误差在8.5%以内。说明所提出的通用权函数具有较高的计算精度,可以满足工程中高效、准确地计算偏心穿透裂纹承受任意复杂非线性载荷下的应力强度因子需求。      

焊接残余应力强度因子的权函数法求解

复杂焊接残余应力场作用下的应力强度因子是焊接结构损伤容限分析的前提。权函数法是求解任意载荷下应力强度因子的高效手段,但裂纹几何的复杂性给经典权函数法的应用带来了障碍。本文利用一种新的基于复变函数泰勒级数展开的权函数解法,通过复变有限元计算,求解裂纹面位移对裂纹长度的偏导数,采用经典权函数的级数展开式作拟合,确定无限大板周期性共线裂纹、有限宽板中心裂纹以及有限宽板单边裂纹的权函数,并确定了这3类裂纹在典型焊接残余应力作用下的应力强度因子。与经典权函数法、有限元法以及有关文献结果的广泛对比表明,基于复变函数泰勒级数展开的权函数法,为包括焊接残余应力的复杂载荷条件下的裂纹问题求解提供了高效高精度的手段。     

受均匀内压作用的偏置孔边径向裂纹的应力强度因子的一种求解方法

本文利用一种新的混合法——光弹性实验与权函数解法相结合求解了孔壁受均匀内压作用偏置圆孔边径向裂纹的应力强度因子,该方法具有简单、经济、精度高等优点,对分析复杂应力场中圆孔边穿透裂纹问题,该方法同样适用,且优点更为突出.     

表面裂纹疲劳扩展和寿命计算的高效高精度数值分析方法

基于弹性力学理论,建立了三维裂纹应力强度因子计算的混合边界元法基本理论和数值求解技术;针对表面裂纹疲劳扩展过程中,需要计算每个裂纹扩展步下的应力强度因子,从而需要重复计算大型非对称系数矩阵问题,提出了仅在初始裂纹状态下一次计算主控矩阵,对于随后的疲劳裂纹扩展,只需做非常小规模矩阵的计算,且以显式形式给出应力强度因子解而无需求解大型线性代数方程组的方法,大大提高了计算效率;针对疲劳裂纹扩展过程中,单元需要不断重新划分问题,由于混合边界元法中的主控矩阵与裂纹无关,故只需对裂纹表面单元进行重新划分,对半椭圆表面裂纹,由于将其映射到单位半圆上划分单元,而单位半圆上的单元在疲劳扩展过程中不变,从而通过映射关系自动重新划分裂纹表面单元。最后,通过若干算例和试验,考核了本文方法的精度和可靠性。本文的研究为工程结构表面裂纹疲劳扩展和寿命计算的高效高精度数值分析建立了理论基础和实现方法。     

疲劳与断裂力学的研究与应用——访北京航空材料研究院原总工程师吴学仁研究员

():您对断裂力学的权函数法进行了长期的深入研究,所建立的二、三维裂纹应力强度因子权函数求解方法在国际断裂界具有重要影响.目前该方法在航空领域获得了哪些实际应用?伴随着近年来航空新材料和新结构的出现,该方法又面临哪些挑战与机遇?     

圆管内表面周向三维裂纹应力强度因子的新解法

对圆管内表面周向三维裂纹应力强度因子的求解,发展了传统的能量差率方法,同时研究了新兴的双重边界元理论,并运用这两种新解法,分别获得了关于裂纹张开位移的伯努利方程的半数值半工程封闭解和基于非连续裂尖奇异单元离散的应力强度因子数值解。并讨论了应力强度因子与裂纹形状a/c及裂纹深度a的关系,两者比较分析发现,其计算结果规律是一致的,且能量差率方法更保守,也更安全。     

单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

采用有限元计算软件ABAQUS/Explicit建立40Cr钢单边缺口拉伸(SENT)试样喷丸强化的三维有限元模型,分析各喷丸参数与强化后残余应力场的关系。用三维裂纹权函数法求解了三维表面裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子,并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子K_res的影响。计算结果表明:当裂纹尺寸较小时,表面残余压缩应力越大,残余压缩应力强度因子绝对值-K_res越大;随着裂纹尺寸的增加,残余压应力层越深,-K_res最大值的发生位置也越深;当裂纹达到一定尺寸时,-K_res受残余压应力场深度变化规律的影响,即残余压应力场的深度越大,-K_res越大。     

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。     

权函数与光测技术在断裂力学中的结合应用

将光测技术与权函数法相结合,求解了含孔板在不同应力场裂纹的应力强度因子,为分析复杂应力场裂纹问题提供了一种经济、有效的研究方法.     

涡轮盘表面裂纹的应力强度因子及其扩展

表面裂纹是飞机和发动机构件常见的故障。本文提出利用三维有限元素法和裂纹表面位移法相结合, 求解某型发动机涡轮盘冷却孔内表面半椭圆裂纹的应力强度因子 KI 的近似解, 并对裂纹的疲劳扩展寿命进行预估。为了验证计算方法, 文中有表面裂纹体典型算例的计算结果对比以及光弹性冻结应力实验分析。实践表明, 本文提出的方法对于工程构件的三维裂纹问题分析研究十分简便。      

三维广布裂纹疲劳扩展分析

 飞机结构表面由于腐蚀、疲劳等原因存在三维广布裂纹,相邻裂纹在疲劳载荷作用下相互影响、相互促进,从而加速了结构破坏。为了探讨并求解三维广布裂纹结构的疲劳寿命,选取表面有两个半椭圆形表面裂纹的有限厚矩形板为计算模型,采用参数化有限元方法,求解裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量,建立并应用应力强度因子变化历程,采用循环接循环损伤累积方法,对结构在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测。预测结果为复杂环境中三维广布裂纹飞机结构的寿命评估提供了参考。     

无限板孔边裂纹问题的高精度解析权函数解

用Wu-Carlsson解析权函数法（WFM）求得了无限板孔边径向单裂纹和对称双裂纹的高精度解析权函数（WF）。分别用Shivakumar-Forman和Newman的解及基于复变函数泰勒级数展开的数值权函数WCTSE法结果,通过对相应格林函数（GF）的逐点比较验证了本文解析权函数的精度。该权函数不但精度高,而且作为裂纹长度的连续函数,能够高效准确地求解任意长度（a/R≤2）裂纹在任意复杂载荷作用下的断裂力学关键参量;且孔边单/双裂纹问题的权函数的形式和推导方法完全相同。作为示例,用该解析权函数计算了孔边裂纹在裂纹嘴楔形载荷、裂纹面幂函数,以及圆孔冷挤压残余应力等多种载荷形式下的应力强度因子。     

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].     

受任意钉载圆孔边径向裂纹分析

 本文利用权函数法求解了孔壁受径向及切向集中力作用的圆孔边径向裂纹的应力强度因子。计算了在磨蚀条件下的圆孔边裂纹的应力强度因子,讨论了销钉与孔壁摩擦力对裂纹扩展寿命的影响。     

基于权函数法的应力强度因子计算和断裂评估

仅利用一个参考载荷,建立一种近似公式来计算共线裂纹和中心裂纹的张开位移。通过该方法确定的裂纹面张开位移及其偏导与精确解之间吻合良好。该方法将中心裂纹的权函数计算模型简化为形状因子和裂纹面张开位移偏导之间的积分。基于权函数法,研究了带中心裂纹的旋转叶片的应力强度因子与裂纹长度、位置、转速及转动加速度之间的关系。结果发现:应力强度因子随着裂纹长度的增加和裂纹与旋转轴间距的减小而增大;转动加速度对应力强度因子的影响较小;转速的增大会使应力强度因子增大。在断裂力学理论的基础上,建立了断裂控制准则,计算表明叶片的临界转速随着裂纹长度的增加而降低。     

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。     

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。      

表面裂纹的分区混合元分析

 本文对三维体表面裂纹问题进行分析,应用应力和位移的渐近解在表面裂纹区域构造一个奇异应力单元,采用分区混合有限元法计算裂纹顶端各个位置的应力强度因子。