裂纹的扩展有限元数值模拟研究

扩展有限元方法中,结构的不连续模拟通过单位分解的方法对位移模式的局部富集来实现,这个技术可以使得裂纹的不连续性独立于结构的单元划分.阐述了富集函数的构造、支配方程的建立、数值积分方案及程序实现等.对于线弹性体裂纹的模拟.通过一个跳跃函数和二维裂纹尖端位移渐进场来考虑裂纹的不连续性和奇异性.通过编制扩展有限元程序,模拟了各向同性介质中的二维裂纹.最后通过算例的模拟结果证明了该方法的精确性和实用性.     

基于扩展有限元法的三维裂纹前缘应力强度因子计算方法

为了准确快速获取含缺陷结构材料裂纹前缘的SIF,本文基于扩展有限元法,分别从收敛性、计算精度以及网格尺寸对计算结果的影响角度出发,通过标准CT试样获取三维裂纹前缘SIF,并与传统的围道积分法和公式解析解的计算结果对比分析,得出基于扩展有限元法所获取的三维裂纹前缘SIF变化规律.结果表明:随着网格尺寸的增加,扩展有限元法...     

三维裂纹前缘应力强度因子数值计算方法

本文建立了采用20节点奇异元1/4节点位移法求解三维裂纹整个前缘3种类型应力强度因子的数值计算方法,给出了裂纹网格划分方法以及网格划分参数取值范围;基于平板表面裂纹研究了网格划分参数对应力强度因子计算结果的影响,并与Newman-Raju解析公式计算结果对比验证了数值方法的准确性,二者最大误差小于2%;采用数值计算方法计算了裂纹扩展标准三点弯曲样扩展过程中单边穿透裂纹前缘应力强度因子,并与解析公式计算结果进行对比分析,二者最大误差为4.7%,且随着裂纹扩展,误差越来越小。结果表明,提出的数值方法可用于含裂纹结构整个裂纹前缘不同类型应力强度因子求解中。     

不同的裂纹尺寸对椭圆形裂纹应力强度因子影响的研究

针对平板椭圆形裂纹,提出了椭圆裂纹求解应力强度因子的解析解法,该方法是建立在弹性断裂理论及复变函数理论基础上的。文中针对椭圆裂纹,在具有不同的外荷载,以及不同的椭圆裂纹形状情况下,对应力强度因子进行较为全面的仿真分析。得到了应力强度因子和椭圆裂纹长短轴及所处位置,以及外荷载之间的关系变化的曲线。利用所建立的计算模型,可以非常迅速地求得不同几何参数情况下椭圆裂纹在复杂应力场中沿裂纹周边不同位置的应力强度因子。并对三种不同椭圆裂纹形状情况下的应力强度因子进行了分析和比较。     

球柱结合壳焊趾表面裂纹坐标变换有限元建模方法及应力强度因子计算

深潜器的上浮和下沉会使得耐压壳体舱口球柱连接位置存在随时间变化的交变应力,这有可能引起疲劳破坏,运用裂纹扩展理论进行疲劳预报时需要解决舱口球柱连接位置的应力强度因子计算问题。推荐一种坐标变换建模法,能够解决球柱结合壳焊趾表面裂纹有限元建模的问题;通过圆管、T型相贯管节点表面裂纹的计算,验证所推荐方法的精度;以4 500 m级载人深潜器为研究对象,计算一定潜深时耐压壳舱口焊趾表面裂纹的应力强度因子。所推荐的方法同样适用于圆柱体、圆锥体、球体或其组合体型式的耐压结构典型节点三维裂纹应力强度因子计算。     

考虑残余应力的加筋板结构疲劳裂纹应力强度因子计算方法研究

文章基于温度梯度法对焊接残余应力分布进行了模拟。通过对有限元网格划分规则的讨论,确定了数值模拟过程中应力强度因子计算的最佳方案,同时,采用Green函数法以及Faulkner模型给出了残余应力作用下应力强度因子的理论值。通过有限元模拟与理论计算的结果比较,验证了常规载荷以及残余应力作用下,含中心裂纹平板以及含初始裂纹加筋板结构应力强度因子计算结果的准确性,建立了考虑残余应力影响的结构裂纹扩展模拟流程。最后,通过拉伸载荷下加筋板裂纹扩展模型试验对数值计算方法进行了验证,为加筋板结构裂纹扩展规律研究以及裂纹扩展寿命预报奠定了基础。     

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。     

基于扩展有限元的疲劳裂纹扩展分析

针对结构板裂纹扩展问题,基于Abaqus的扩展有限元法,使用3种方法计算单边裂纹和中心裂纹的静态应力强度因子,发现相互作用积分法结果更加精确,误差在2%以内。采用相互作用积分法计算裂纹扩展过程的动态应力强度因子,误差在3%以内,结合低周疲劳分析,对孔边裂纹的剩余寿命进行预测,与试验结果相比,误差为3.8%,并且疲劳裂纹扩展稳定阶段的试验结果与扩展有限元分析基本一致,证明了此方法的准确性和可行性。因此,该方法为疲劳裂纹扩展过程中动态应力强度因子计算和剩余寿命预测提供可靠的参考依据。     

典型船舶焊接接头应力集中系数有限元分析

利用MSC/Patran and MSC/Nastran对焊接中常见的对接接头焊趾处的应力集中系数进行有限元建模和计算,在分析有限元计算结果的基础上,提出比较完整的估算焊接接头应力集中系数公式。     

基于累积塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命研究

船体板的总体断裂破坏往往是低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果,故在船体板低周疲劳裂纹扩展寿命评估中,其基于累积塑性应变的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命分析能够更为符合实际地评估船体板的总体断裂承载能力。船体板低周疲劳裂纹扩展寿命由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。船体在实际航行中受到多次波浪外载作用而使其进入塑性变形不断累积或不断反复的破坏过程,并最终导致低周疲劳裂纹的萌生及扩展而使结构破坏,其破坏形式分别对应于增量塑性变形破坏（或棘轮效应）或交变塑性变形破坏（或低周疲劳）。局部塑性变形的累积会加剧低周疲劳裂纹不断扩展,因而基于累积塑性破坏研究船体板低周疲劳扩展寿命更为合理。文中以船体板单次循环载荷后塑性应变大小为基础,依据累积递增塑性破坏过程及弹塑性理论,计算经过N次变幅循环载荷后船体板累积塑性应变值,结合循环应力—应变曲线获得相应的稳定的迟滞回线,确定裂纹尖端应力应变曲线及确定相关塑性参量并依据选取的断裂判据判定裂纹扩展。建立循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命的计算模型考虑应力比对此裂纹扩展寿命计算模型的影响。由该方法计算出的疲劳裂纹扩展寿命将对正确预估船舶结构的低周疲劳强度从而提高船舶安全性有重要意义。     

斜拉桥索塔与索梁锚固区局部应力分析

混凝土斜拉桥索塔、主梁常采用预应力混凝土结构,在强大的索力和预应力共同作用下,索塔、索梁锚固区受力十分复杂。针对索塔、索梁锚固区的受力状况进行研究,对优化锚固区细部构造及预应力钢束的布置均有重要意义。以一座独塔混凝土斜拉桥为例,运用有限元方法对索塔、索梁锚固区进行了空间应力分析,总结了锚固区的受力特点。     

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。     

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.     

集装箱船舱口角隅应力集中系数的有限元分析的精度

集装箱船舱口角隅的应力集中是船舶结构强度的一个重要问题。随着有限元技术的发展，目前舱口角隅的应力集中系数大都可以通过有限元计算直接获得。由于有限元分析过程中存在着大量不确定性，通过控制其有限元分析各个步骤的质量来保证有限元分析的精度，已经成为一个重要的研究方向。本文利用现有有限元分析软件（ABAQUS），通过对不同模型简化方法的讨论，给出了正确计算舱口角隅结构应力集中系数的模型简化方法，并在此基础上讨论了网格尺度对应力集中系数的影响。     

钻孔法检测残余预应力的有限元计算

用有限元法计算平板构件和预应力混凝土梁在钻孔前后的应力应变分布。结果表明,钻孔法检测预应力混凝土梁的残余预应力时,应变片的位置选择很重要;建议合理的贴片位置,并给出检测残余预应力时的修正系数。这一研究成果是钻孔法检测预应力混凝土梁残余预应力的基础,可以为该方法的工程应用提供参考。     

板桩弹性线法的有限元计算方法

弹性线法计算板桩墙内力时存在应用范围狭窄、采用图解法、工程实际应用较繁琐、计算精度较低的问题。文章结合弹性线法的理论原理,通过有限元法计算其精确解,克服了图解法人为因素的影响以及弹性线法采用弯矩控制条件代替变形条件的误差;计算中可以考虑板桩刚度、锚碇点位移对板桩墙求解的影响;扩大了计算范围,可用于多板桩墙的计算。但由于按照规范仍将土压力与板桩墙分离计算,此计算方法仍不能反映墙一土相互作用。     

基于裂纹扩展的海洋平台疲劳可靠性分析

文章基于裂纹疲劳基本理论,针对在役导管架平台出现初始裂纹状态下结构承载力进行分析,考虑结构损伤与腐蚀等因素,建立了典型导管架平台整体结构模型和局部子模型,分析了在该工况下平台整体结构的疲劳强度,并确定了平台结构的疲劳关键部位。采用几何应力外插法计算了热点应力,基于疲劳裂纹扩展的疲劳分析方法,计算了疲劳关键节点的疲劳寿命与疲劳可靠度。该方法能够为海洋平台结构的维护和保养提供一定参考。     

基于有限元法的海底管道埋深计算

基于有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA分析应急抛锚贯入海床的动态响应过程,并分析不同锚重、水深、抛锚高度、海底底质等因素对锚在海床中贯入量的影响,最终确定锚机影响作用下管道的最佳安全埋深。