功能梯度热障涂层材料断裂参数的求解

功能梯度热障涂层 (GTBC)材料界面裂纹导致涂层剥落是TBC失效的一个重要模式。介绍了MARC有限元软件提供的Delorenzi方法可以在不受涂层界面不均匀性限制的情况下 ,计算出结构的应变能变化 ,最终计算出GTBC界面裂纹的J积分。     

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].     

三维广布裂纹应力强度因子求解

 针对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。为了定量描述相邻裂纹间的影响规律,采用参数化有限元方法,结合1/4节点位移方法和循环迭代算法,对一有限厚矩形板表面有两个半椭圆表面裂纹在拉伸载荷作用下进行了求解,得到两裂纹在共面、中心叠加平行和斜平行3种位置状态时的应力强度因子和应力变化图,计算结果为含三维广布裂纹飞机结构的剩余强度和疲劳寿命确定提供了理论依据。     

双材料界面裂纹应力强度因子的无网格分析

应用改进的无网格方法对双材料界面裂纹进行了分析,积分区域采用基于节点的Voronoi图,通过在裂纹尖端加密节点提高位移场的计算精度,采用位移外插法确定出应力强度因子,避免了应力场的奇异性和振荡性。本文对由环氧树脂和铝 环氧树脂组成的双材料进行分析,对比了均匀离散、均匀细化和局部细化三种不同模型,通过与光弹性实验结果比较可知,采用裂纹尖端局部细化的模型计算量低并且计算效果好,其计算结果与实验结果基本吻合。     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题,基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系,考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌,依据表、界面裂纹位置、性质不同,分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型,结合围线积分和内聚力单元法,分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态,研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响,揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明,表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态,靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%,且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%,表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导,界面裂纹对其影响相对较小,分析结果与试验结果一致。      

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。     

裂纹尖端应力强度因子计算方法的工程应用研究

对有限元商用软件ANSYS的三维应力强度因子的计算方法进行了研究,并采用标准试题验证了该软件的计算精度。研究结果表明,ANSYS程序裂纹尖端应力强度因子计算方法的计算精度可以满足工程设计和分析需要。     

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

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。     

大曲率缺口奇异有限元计算模型及其数值分析

 研究了大曲率缺口的位移场基本理论,构造了一种新的大曲率缺口位移模式;建立含大曲率缺口损伤结构有限元方程和相应的缺口奇异单元;提出了求解大曲率缺口应力与应力强度因子等断裂参量一种的新数值计算方法。算例说明本方法是一种有效的数值计算分析方法,其研究成果对众多的材料破坏试验极有参考价值。     

结构热动力响应分析有限元方法

传统的热应力分析是把热载荷当作静态或者准静态载荷来处理, 在工程实际中如果温度的变化非常剧烈, 则该方法不能满足需要, 本文提出了一种结构在动态热载荷 (包括热冲击)作用下响应的有限元求解方法, 算例表明该方法是可行的、正确的。      

基于四面体单元的三维裂纹自动化建模

三维裂纹前缘布置结构化网格是一项耗时且困难的工作。以二次四面体单元虚拟裂纹闭合法（VCCM）为基础,提出基于几何特征的三维裂纹建模方法,阐述应用四面体单元在ABAQUS上进行三维裂纹建模的实现细节;应用Python编程语言结合NumPy和SciPy开源科学计算库开发参数化三维裂纹分析程序包,实现三维裂纹问题分析的全流程自动化;数值算例和文献中的结果吻合很好,表明本文建模方法是准确且可靠的,全模型采用常规四面体单元,提高了三维裂纹自动化建模的稳定性和鲁棒性。     

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.     

一种层压复合材料组合界面单元及有限元模型

 为了高效模拟计算复合材料层合板的层间损伤,提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型组合界面单元,并提出了以弯曲板单元作为子层单元,与上述界面单元结合构成的层合板三维有限元模型,通过界面单元刚度的连续衰减模拟分层损伤累积过程。有限厚度的八结点组合界面单元每个结点有5个自由度,能考虑子层结点平动和转动对层间损伤的作用。通过对双悬臂梁(DCB)和末端缺口弯曲(ENF)试验的计算模拟表明,新型组合界面单元和有限元模型能很好地模拟复合材料层合板的分层损伤过程,对不同的网格划分有很好的适应性。     

二维非定常欧拉方程的有限元解法

本文通过求解时间相关的欧拉方程，对振荡翼型的非定常二维无粘可压缩绕流作了数值模拟。求解方程时采用了有限体积积分的方法，并用ＶａｎＬｅｅｒ逆风通量分裂格式来计算控制体通量。隐式格式的采用，大大提高了计算效率；同时，通过插值使得空间离散达到了二阶精度。另外，本文采用基于非结构三角形网格的动态网格来处理刚性物体的移动，从而顺利地解决了复杂几何外形物体的非定常绕流的问题。文章最后给出了ＮＡＣＡ００１２翼型绕四分之一弦线作简谐俯仰振动的计算结果。一个周期内的瞬时压强分布以及升力和力矩系数都与实验结果吻合良好，     

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。     

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。     

广义有限元法计算飞机开口裂纹应力强度因子

机身开口圆角损伤可能逐渐形成裂纹从而严重影响飞机使用安全,为此对圆角裂纹进行剩余强度估算显得十分重要。使用Williams位移场广义有限元法进行裂尖单元加强,并对裂尖区域应用放射形网格划分技术,编写广义有限元法的MATLAB程序,研究并计算飞机舱门开口圆角裂纹的应力强度因子。结果表明：在裂纹分析上,广义有限元法较常规有限元法具有更好的适应性和更高的精度。