一种高效准确的三维权函数法及其应用

应力强度因子解是材料和结构的疲劳断裂分析必不可少的条件。工程实际中大量的裂纹问题常以非穿透形式的三维裂纹出现。由于问题的复杂性,它们的求解一般要采用昂贵的数值计算方法,因此发展简单,经济而又具有满意精度的求解三维裂纹应力强度因子的方法在理论和实践上都有很大的意义,长期以来一直是断裂力学领域的一项重要课题。近年来作者致力于三维裂纹分析的权函数理论及应用的研究,发展出了一种效率高、精度好、使用简单、适用范围广的三维权函数法,并用它求解了一大批在工程上有重要意义的三维裂纹问题。本文是对这一工作的概述,文中介绍了这一方法的基本理论及对内埋椭圆裂纹、孔边表面裂纹及角裂纹、缺口表面裂纹及角裂纹、平板表面裂纹及角裂纹这七类典型的三维裂纹问题的应用。     

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。     

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。     

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。     

基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

 为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,根据Tanaka-Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论,模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,模拟微观多晶结构,建立宏-细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术:1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111}面族的12条主滑移系;2)应用缺口根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生;3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程,最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20%。研究表明,减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。     

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。     

含销钉孔边裂纹的某压气机轮盘裂纹扩展分析

基于三维裂纹扩展分析软件FRANC3D V6.0,结合有限元软件,采用子模型技术建立断裂力学有限元模型.对带孔平板试样的裂纹扩展进行了数值模拟,分析了裂纹扩展规律,计算结果与手册解误差很小,结果表明了分析方法的可行性和准确性.建立了含销钉孔边裂纹的轮盘断裂力学有限元模型,对其进行了三维动态裂纹扩展分析,计算了应力强度因子和裂纹扩展寿命.结果表明:该分析方法简单可行,几种裂纹形式中销钉孔内表面裂纹对轮盘裂纹扩展寿命危害最大.      

三维磁电热弹材料裂纹问题的超奇异积分方法

应用位移基本解,磁电热弹材料三维裂纹问题被转化为求解一组以裂纹表面位移间断为未知函数的超奇异积分方程问题.进而,采用主部分析法得到了裂纹尖端的应力奇异指数及奇性应力场的解析表达式.然后,通过将裂纹表面位移间断未知函数表达为位移间断基本密度函数,使用有限部积分方法对超奇异积分方程组建立了数值方法.最后,通过典型算例计算,得到广义应力强度因子的变化规律.     

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。     

飞机结构搭接件腐蚀三维裂纹扩展特性分析

通过对某型退役飞机分解检查,发现搭接件在腐蚀产物的膨胀作用下产生了裂纹。采用20节点等参奇异元,运用三维有限元法分析含半椭圆裂纹的飞机结构搭接件的应力应变状态,通过计算裂纹前缘典型部位的应力强度因子,预测了裂纹的扩展趋势,分析了其危害性。结果表明,搭接件半椭圆形裂纹以较小的形状比(a/b)扩展,在较长阶段内并不会扩展到外表面。所以裂纹具有隐蔽性,对飞机安全构成潜在的威胁。     

镍基高温合金GH4169小裂纹早期扩展的原位疲劳试验

通过原位扫描电子显微镜(SEM)疲劳试验,研究了直接时效GH4169高温合金在室温下的疲劳小裂纹萌生和早期扩展过程.结果表明:在应力比R=0.1的拉-拉疲劳载荷作用下,疲劳小裂纹的萌生寿命仅为全寿命的20%左右.疲劳小裂纹起源于表面夹杂,以半椭圆表面裂纹形状扩展,扩展后期穿透试样一侧形成角裂纹,角裂纹迅速扩展导致试样断裂.疲劳小裂纹的早期扩展易受局部微观结构的影响,扩展速率分散性较大.      

孔边三维短裂纹扩展特性研究

 本文对孔边三维短裂纹扩展特性进行试验研究和理论分析。首先用复形法测出板中孔边三维短裂纹在等幅载荷和单峰超载时扩展规律,然后运用弹塑性断裂力学和裂纹闭合理论对短裂纹的扩展作定性分析,用闭合模型计算短裂纹扩展寿命。理论计算与实验结果较吻合。     

疲劳分散系数的分类及其取值

本文提出疲劳分散系数可以分为疲劳试验用的分散系数和理论计算用的分散系数。其中每一种又可分为裂纹形成寿命的分散系数和裂纹扩展寿命的分散系数。 本文还对各类分散系数的取值进行了研究,并给出了它们的具体数值。本文同时还对各国所用分散系数的计算公式和取值差别进行了评述。     

关于表面裂纹理论的研究与进展(上)

本文简要地介绍了近几十年国内外表面断裂力学理论的发展状况及所取得的一些成果．重点介绍了应力强度因子求法和裂纹扩展速率的描述，同时对应用于圆柱体上的表面裂纹应力强度因子求法及裂纹扩展速率的描述等方面成果进行了评述。     

表面裂纹理论的回顾与评述(下)

本文简要地介绍了近几十年国内外表面断裂力学理论的发展状况及所取得的一些成果，重点介绍了应力强度因子求法和裂纹扩展速率的描述。同时对应用于圆柱体上的表面裂纹应力强度因子求法及裂纹扩展速率的描述等方面成果进行了评述。     

分析有限大内部开裂板的复变-变分方法及其应用

 本文利用复交函数方法导出了含内部裂纹有限大板的应力及位移的全场解。用变分原理处理边界条件,求解了含中心裂纹、孔边裂纹、偏心裂纹有限大板的应力强度因子,并对用铆接加强环加固以后的孔边开裂板进行了分析和计算。算例表明,本方法收敛快,省机时。     

冷挤压孔边残余应力场中裂纹的应力强度因子

 本文给出了复杂应力场中圆孔边穿透裂纹问题的权函数解析解和各种基本载荷作用下孔边裂纹的应力强度因子计算公式。并据此计算了冷挤压孔边残余应力场中裂纹的应力强度因子,进而讨论了裂纹在外载荷和残余应力共同作用下疲劳扩展的特点。