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。     

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。     

压气机叶片的损伤容限研究

本文用断裂力学方法对压气机和风扇转子叶片作损伤容限分析。采用20节点立体元对叶片作应力场和位移场计算,用裂纹表面位移法求解裂尖应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ及K_Ⅲ随裂纹长度a变化的关系。根据叶片材料的断裂韧性K_IC、叶片径向伸长量δ_c以及自振频率偏移量f_c值来确定转子叶片失效的准则及临界裂纹长度a_c值。利用Paris公式并考虑到高周振动应力对低周疲劳裂纹扩展的影响求得叶片的损伤容限寿命N_f。文中给出了某压气机叶片的算例。为了研究自振频率随裂纹长度变化的关系,进行了叶片振动实验      

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

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。     

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。     

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。     

典型机身框地板梁缘条裂纹修理损伤容限分析

采用简单有效的方法对复杂的飞机结构进行损伤容限评定具有重要的意义,提出一种简单有效的应力强度因子获取方法,并结合损伤容限分析的一般流程,分析某机身框地板梁缘条含裂纹修补结构的疲劳寿命及使用寿命期内结构的剩余强度。根据机身框地板梁结构受载特点建立简化的分析模型,计算单位载荷时不同长度下裂纹尖端应力强度因子,再由结构边界载荷与应力强度因子的关系确定无量纲应力强度因子;根据损伤容限分析方法编制程序,计算结构在飞行载荷谱下从初始裂纹扩展到临界长度的寿命及各裂纹长度下结构的剩余强度,给出结构检查间隔。结果表明:结构修补后的疲劳寿命及剩余强度均满足损伤容限设计要求。本文给出的损伤容限分析过程及方法可应用于工程中类似结构的损伤容限评定。     

无限大板孔边双裂纹应力强度因子和裂纹面张开位移

针对航空结构中常见的孔边裂纹问题,利用Muskhelishvili复变函数法和有限截项法计算了无限大板内圆孔边任意长度双裂纹在任意角度远场均布拉伸应力情况下的复合型应力强度因子和裂纹面张开位移,并与相关文献的计算结果进行了对比。通过对应力强度因子计算数值的拟合,得到了无限大板内圆孔边任意长度共线双裂纹在远场应力作用下的应力强度因子拟合方程。结果表明,应用复变函数法和有限截项法计算应力强度因子和裂纹面张开位移,不仅适用于无限大板内孔边裂纹对称的情况,孔边裂纹不对称时同样适用,在工程断裂问题中有较好的应用价值。     

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).      

Analysis of crack opening stresses for center- and edge-crack tension specimens

Accurate determination of crack opening stress is of central importance to fatigue crack growth analysis and life prediction based on the crack-closure model. This paper studies the crack opening behavior for center- and edge-crack tension specimens. It is found that the crack opening stress is affected by the crack tip element. By taking the crack tip element into account, a modified crack opening stress equation is given for the center-crack tension specimen. Crack surface displace- ment equations for an edge crack in a semi-infinite plate under remote uniform tension and partially distributed pressure are derived by using the weight function method. Based on these displacements, a crack opening stress equation for an edge crack in a semi-infinite plate under uniform tension has been developed. The study shows that the crack opening stress is geometry-dependent, and the weight function method provides an effective and reliable tool to deal with such geometry depen- dence.     

有限板孔边裂纹的权函数解法

 本文作者在文献〔1,2〕中用权函数法高效而经济地求解了无限体中孔边裂纹在任意受载条件下的应力强度因子。本文则把这一方法成功地推广到了有限体中的孔边裂纹问题。     

TBC界面裂纹K因子的有限元求解方法

本文针对由陶瓷层和粘结层构成的热障涂层(TBC)双层材料结构,探讨了应用裂纹面位移数据及J积分计算分析陶瓷层/粘结层界面裂纹应力强度因子的有限元方法。考虑了拉伸及热应力两种载荷情况。在传热分析时,考虑了界面裂纹对传热的影响。对于这类双材料界面裂纹,应力强度因子是型和型裂纹复合的,它包括应力强度因子的模和相位角。根据所得的结果比较。      

金属材料延性断裂韧度测试中的柔度方法研究

 对紧凑拉伸(CT)试样的柔度转动修正方法进行了研究,理清了现行柔度转动修正方法存在的问题,给出了新的转动修正方法,并提出了考虑转动效应的CT试样的裂纹嘴张开位移(CMOD,V₀)与加载线张开位移(V_LL)的转换公式。弹塑性有限元分析表明,CT试样产生刚性转动的中心并不在试样的剩余韧带中心,而是在偏靠裂纹尖端的位置;转动半径 R 基本不受材料本构关系的影响,仅与CT试样的裂纹长度a与宽度W之比(a/W)有关,从而提出了R与a/W之间的单调多项式;当裂纹尖端产生较大程度的塑性变形时,需要考虑转动效应对CT试样裂纹张开位移(COD)测量的影响, J积分的塑性功计算须采用经转动修正后的COD。采用两种延性材料Cr2Ni2MoV和16MnR对COD转换公式进行了实验验证,结果表明,基于转动分析的COD转换公式由于考虑了裂纹尖端附近区域的弹塑性变形行为,用于断裂韧性测试中的塑性功计算更加符合实际,且同实验结果符合良好;直通型紧凑拉伸(FFCT)试样的刚性转动对较大裂纹扩展情形下的J_R阻力曲线影响较大。     

求解正交各向异性含内部裂纹板应力强度因子的复变函数-分区广义变分解法

 <正> 计算应力强度因子是确定含有裂纹结构剩余强度与剩余寿命的最重要工作,而有限大体孔边裂纹应力强度因子的确定又是应力强度因子确定中最具实用价值的一部分工作。目前,在这方面所采用的方法有:边界配位法、有限元素法与边界元素法等。为了提高计算效率与消除模型的不确定性,本文提出复变-变分方法求解有限大板孔边裂纹应力强度因子。     

高速旋转发动机叶片模型的断裂力学分析

建立了带裂纹平板叶片的断裂力学模型.首先由已知参考均布载荷下的应力强度因子,得到了带裂纹叶片的权函数;然后根据权函数思想,推导出了高速旋转叶片裂纹尖端处的应力强度因子公式;最后,由断裂准则给出了叶片飞断时临界转速的估算方法.算例研究表明,裂纹的深度和位置对裂纹尖端处的应力强度因子和叶片飞断时的临界转速有很大的影响.      

单峰过载下的疲劳裂纹扩展厚度效应研究

进行了国产2024-T 351 铝合金在单峰过载条件下试样厚度对疲劳裂纹扩展性能影响的试验和分析研究。结果表明: 试样厚度对裂纹扩展迟滞有明显的影响; J. B. Chang 模型中的过载截止比不是材料常数, 它还和疲劳裂纹扩展的应力状态、载荷序列及试样厚度等因素有关。厚试样有较大的过载截止比, 用J. B. Chang 模型进行疲劳裂纹扩展寿命预测时应采用相应试样厚度的过载截止比。     

基于能量模型的三维穿透裂纹扩展研究

利用能量释放率与应力强度因子的关系,给出了裂纹尖端的有效能量释放率;裂纹稳定扩展时有效能量释放率恰好等于裂纹扩展阻力,利用裂纹尖端前沿各点的有效能量释放率相等关系,提出了一种基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法,可以计算不同厚度试样的三维穿透裂纹扩展形貌,并通过不同厚度单侧裂纹板的有限元仿真计算和试验进行了验证.仿真与试验结果表明:利用基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法可以确定三维结构的裂纹扩展形貌;随着单侧裂纹板厚度的增加,裂纹尖端“隧道效应”消失,裂纹扩展形貌转变为“马鞍”形;试样自由面处的裂纹扩展速率要小于中面处的裂纹扩展速率.