厚壁筒内表面椭圆裂纹的应力强度因子研究

本文首先介绍了用边界元法计算裂纹尖端应力强度因子的基本理论,接着利用边办元法计算了在均匀内压作用下不同厚壁筒表面椭圆裂纹的应力强度因子,并研究了其大小随椭圆裂纹不同而变化的规律,为厚壁筒结构的设计、制造以及疲劳寿命分析提供了许多有价值的参考资料。     

自紧厚壁筒表面裂纹的应力强度因子研究

本文首先介绍了厚壁筒结构的基本计算模型和计算裂纹尖端应力强度因子的基本理论,接着利用边界元法计算了均匀内下不同厚壁筒内表面椭圆裂纹的应力强度因子,研究了其大小随椭圆裂纹不同而变化的规律,为厚壁筒结构的设计、制造以及疲劳寿命分析提供了许多有价值的参考资料。     

平行界面的裂纹对应力强度因子的影响

研究了平行界面的裂纹的最大应力强度因子及影响因素.利用体积力方法和格林函数,最大应力强度因子可以表达为裂纹界面距离与弹性模量比的函数.通过数值计算给出了应力强度因子随裂纹形状、界面距离以及弹性常数的分布,并在此基础上利用√area参数分析了裂纹形状对应力强度因子的影响.研究表明,对于平行于界面的裂纹问题,√area参数是应力强度因子的主要控制因素.平行于界面的椭圆裂纹的研究结果可以用于分析任意三维裂纹的最大应力强度因子.     

I型裂纹扩展的模糊可靠性分析

根据I型裂纹应力强度因子KI及裂纹扩展门槛值KIC,裂纹扩展判据,利用概率及模糊数学的理论,对I型裂纹在受力情况下裂纹的不扩展情况进行模糊可靠性分析,给出了对I型裂纹不扩展的模糊可靠度计算的一般思路.     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明：相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

基于最大裂纹张口位移计算应力强度因子的方法研究

文章提出了基于最大裂纹张口位移计算I型应力强度因子的新方法,该方法适用于复合载荷(均匀拉伸和纯弯曲载荷组合)作用下的具有半椭圆表面裂纹的有限平板模型。首先,理论推导了具有埋藏裂纹的无限大平板受均匀拉伸载荷作用时应力强度因子与裂纹最大张口位移的对应关系,再应用有限元数值模拟技术,考虑了表面效应、模型尺寸效应及载荷形式的影响,然后基于有限元模拟结果,根据多元多次最小二乘法原理拟合出对应修正系数表达式,最终建立了复合载荷作用下有限平板裂纹尖端应力强度因子与最大张口位移的函数关系,实现了由容易获得的最大裂纹张口位移确定应力强度因子的方法。该方法避免了对裂纹尖端的应力场、位移场的分析,为实际应用中应力强度因子的获得提供了新的方法。     

弯扭组合载荷下圆轴表面裂纹应力强度因子计算

传动轴往往承受弯扭组合载荷的作用,准确计算弯扭组合载荷下轴上半椭圆表面裂纹的应力强度因子对于传动轴的疲劳寿命预报来说十分重要。本文讨论了扭转载荷下裂纹前缘各点的Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子计算和网格质量之间的关系,对扭转载荷下Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子沿裂缝前缘的分布情况进行研究;并对弯扭组合载荷下轴上半椭圆表面裂纹的应力强度因子进行分析。结果显示在扭转载荷下裂纹最深点仅有Ⅲ型应力强度因子存在,沿裂纹前缘其他各点不仅存在Ⅲ型应力强度因子,还存在着不可忽视的Ⅱ型应力强度因子。弯扭组合载荷下的裂纹是Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,且弯扭组合载荷下的表面裂纹各型应力强度因子可以视作分别施加弯曲和扭转载荷下同型应力强度因子的叠加。所得结论可为传动轴类构件疲劳寿命预报提供参考。     

双向应力场中表面裂纹应力强度因子的权函数法

半椭圆表面裂纹是船舶等焊接结构中常见的损伤形式,计算裂纹尖端应力强度因子是结构损伤容限设计的前提,权函数法是求解复杂应力场中应力强度因子的有效手段之一。本文基于一种集中力载荷权函数统一形式,通过三维有限元建模计算了裂纹半长比a/c=0.05~1.0、裂纹深度比a/T=0.01~0.8的表面裂纹应力强度因子,并将其作为参考解,得到一组形状适用范围更广的有限厚度平板表面裂纹最深点和表面点的二维权函数。权函数的准确性通过在裂纹面上施加最高六阶的双向变化应力载荷进行验证,权函数法结果与有限元法相比求解误差在10%以内。文中所提出的权函数为复杂焊接结构表面裂纹扩展分析奠定了基础。     

Ⅰ型裂纹扩展的模糊可靠性分析

根据Ⅰ型裂纹应力强度因子ＫＩ及裂纹扩展门榄值ＫＩＣ，裂纹扩展判据，利用概率及模糊数学的理论，对Ⅰ型裂纹在受力情况下裂纹的不扩展情况进行模糊可靠性分析，给出了对Ⅰ型裂纹不扩展的模糊可靠度计算的一般思路。     

带径向边裂纹圆盘的权函数和旋转应力强度因子

采用裂纹在均布压力作用下的应力强度因子为参考载荷,通过Petroski和Achenbach的裂纹面张开位移公式推导出了内壁带径向边裂纹的圆盘的权函数,进而得到了计算旋转圆盘裂纹尖端处的应力强度因子公式.该公式可计算旋转圆盘在不同裂纹深度、转速、材料和尺寸情况下的应力强度因子.与有关文献比较,表明本文的公式具有良好的精度.同时文中还研究了旋转圆盘应力强度因子随裂纹深度和圆盘直径之间的变化规律,方便了工程应用.     

双材料中矩形裂纹问题的超奇异积分方程方法

使用超奇异积分方程方法,对双材料空间中垂直于界面的矩形裂纹Ⅰ型问题进行了研究.首先根据双材料空间的弹性力学基本解,使用边界积分方程方法,在有限部积分的意义下导出了以裂纹面位移间断为未知函数的超奇异积分方程.根据裂纹面上位移函数的分布特性,通过将位移间断函数表示为特征函数和一组多项式乘积的形式,为其建立了数值方法.数值结果表明,该方法不仅具有较好的收敛性和较高的数值计算精度,而且能够精确满足裂纹面上的边界条件.在此基础上,对不同材料组合界面对裂纹前沿应力强度因子的影响进行了分析,取得了较好的数值结果.     

Approximate weight functions of stress intensity factor for a wide range shapes of surface and an embedded elliptical crack

This paper describes the application of weight function for stress intensity factor in a surface crack with a wide range of crack shapes. Based on the weight function representation proposed by Wang and Glinka (2009), an extended formulation of the weight function for surfaces and embedded cracks is performed. The unknown parameters in the formulations were determined from reference values of stress intensity factor for a surface and an embedded crack given by finite element analysis with the J integral method. The effectiveness of the proposed weight functions has been verified by comparing with the stress intensity factors given by finite element analysis and available approximated solutions under several loading conditions.     

Dynamic anti-plane interaction between an impermeable crack and a circular cavity in an infinite piezoelectric medium

Wave propagation in an infinite elastic piezoelectric medium with a circular cavity and an impermeable crack subjected to steady-state anti-plane shearing was studied based on Green＇s function and the crack-division technique. Theoretical solutions were derived for the whole elastic displacement and electric potential field in the interaction between the circular cavity and the impermeable crack. Expressions were obtained on the dynamic stress concentration factor （DSCF） at the cavity＇s edge, the dynamic stress intensity factor （DSIF） and the dynamic electric displacement intensity factor （DEDIF） at the crack tip. Numerical solutions were performed and plotted with different incident wave numbers, parameters of piezoelectric materials and geometries of the structure. Finally, some of the calculation results were compared with the case of dynamic anti-plane interaction of a permeable crack and a circular cavity in an infinite piezoelectric medium. This paper can provide a valuable reference for the design of piezoelectric actuators and sensors widely used in marine structures.     

海洋平台中KK管节点表面裂纹应力强度因子的有限元计算方法

海洋平台中的KK管节点由于长期承受循环载荷而容易在焊缝处产生疲劳表面裂纹.对包含表面裂纹的KK节点的残余寿命的评估依赖于对表面裂纹应力强度因子的准确估算.本文首先提出了KK节点中表面裂纹的有限元网格产生方法,然后采用线弹性断裂力学理论,通过裂纹前缘的位移外推插值法分析了KK节点在轴向力作用下沿着表面裂纹的应力强度因子的分布情况.最后,通过对22个KK节点的模型分析,研究了节点的几何参数和裂纹形状参数对应力强度因子的影响情况.     

冲击载荷下含表面裂纹潜艇典型结构的动态断裂研究

文章基于大型通用有限元分析软件ANSYS研究了带有初始表面裂纹的潜艇典型结构在不同下潜深度、不同爆心到船壳距离R和不同作用方位冲击载荷作用下的动态应力强度因子及其最大值与冲击因子的变化规律,然后以921A钢为例对多种工况下结构是否发生失稳断裂作出初步判断。     

焊趾处椭圆表面裂纹的权函数与残余应力强度因子的权函数法

利用三维有限元计算了焊趾处半椭圆表面裂纹的应力强度因子。利用统一的权函数形式,结合得到裂纹半长比a/c=0.2;0.4;0.6;0.8,a/t=0.1~0.8的有限元数据,得到了适用于T型接头焊趾处半椭圆表面裂纹最深点和表面点的权函数。权函数的准确性,用有限元在裂纹面施加高阶载荷进行了验证,对于表面点和最深点,半长比a/c=0.2~0.8,a/t=0.1~0.8,权函数与有限元结果误差在8%以下。基于得到的权函数,计算了T型接头焊趾处半椭圆表面裂纹的残余应力强度因子Kres,并与有限元计算结果进行对比,对比误差在10%以下,表明新的权函数能很好地预测T型接头焊趾处的残余应力强度因子。     

偏心裂纹缺陷板的应力强度因子和极限拉伸强度分析

疲劳裂纹对船舶结构强度具有不可忽视的削弱作用,在过去的研究中,主要从断裂力学的角度对疲劳裂纹应力场进行分析,而对于静态裂纹板的极限强度的探讨相对较少.本文在有限元计算的基础上对具有偏心裂纹缺陷的矩形板的应力强度因子和极限拉伸强度进行了分析.对于偏心裂纹应力强度因子,在计算方法上有效地简化了文献[5]中提出的大单元有限元计算模型,并且用于分析裂纹偏心度对于应力强度因子的影响.对于偏心裂纹延性板,采用弹塑性有限元进行了大量的组合计算,分析了相对裂纹长度、材料屈强比和裂纹偏心度对板的拉伸极限强度的影响,并给出了方便计算的回归公式.该回归公式包含了多个参数对板的极限拉伸强度的影响,与实验结果吻合较好.     

钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。