含裂纹水泥混凝土路面的解析算法

水泥混凝土路面在使用过程中出现裂纹是一种常见的损坏形式。以断裂力学理论为基础,对含裂纹水泥混凝土路面进行了理论分析。将水泥混凝土路面视为Winkler地基上的弹性板,利用傅立叶积分变换,并通过引入位错密度函数建立奇异积分方程,推导出水泥混凝土路面含有垂直裂纹时裂纹尖端的应力强度因子的解析表达式。然后,再应用Lobatto—Chebyshev法求解奇异积分方程,得到应力强度因子的数值解。为了说明问题,以实际路面为例,给出水泥混凝土路面内部存在裂纹时裂纹尖端应力强度因子的计算结果,并讨论了影响应力强度因子大小的因素。     

孔边应力集中和裂纹尖端应力强度因子的有限元分析

应用ANSYS软件对圆孔板的应力集中以及平板中心裂纹，圆孔板孔边裂纹进行了有限元分析，计算了圆孔平板在单向或双向受力下的应力分布以及中心裂纹，孔边裂纹的应力强度因子，并与理论解进行了比较，其ANSYS解与解析解均比较接近。     

基于单元应力外推法的中心裂纹板应力强度因子精度研究

利用ABAQUS有限元软件建立有限宽中心裂纹板的裂纹扩展有限元模型,选取裂纹前端不同数目单元,采用三种基于单元应力外推法的最小二乘法拟合应力场和位移场数据对(ri,KIi),得到中心裂纹板裂纹尖端处I型裂纹应力强度因子。通过与理论解对比,结果表明:每种方法都对应一个最佳单元选取数目,方法二对应的最佳单元选取数目最小,方法三对应的最佳单元选取数目居中,方法一对应的最佳单元选取数目最大;裂纹前端单元选取数目小于最佳数目时数值解小于理论解,裂纹前端单元选取数目大于最佳数目时数值解大于理论解;应力强度因子的求解精度与单元选取数目和拟合方法有关。三种方法的比较分析,对采用基于单元应力外推法求解应力强度因子时单元数目和拟合方法的选取具有指导意义。     

加铺层对旧水泥路面抗裂作用的理论分析

为分析加铺层对含裂纹水泥混凝土路面的抗裂作用,应用断裂力学方法建立了理论分析模型。将水泥混凝土路面视为Winkler地基上的弹性板,采用傅立叶积分变换,并通过引入位错密度函数建立了奇异积分方程,再应用Lobatto-Chebyshev法求解奇异积分方程,得到裂纹尖端应力强度因子的表达式及数值解。以实际的路面为例,对比有无加铺层时裂纹尖端的应力强度因子值,结果显示:加铺层使裂纹尖端应力强度因子减小,加铺层的厚度和弹性模量都是影响加铺效果的主要因素。     

钢箱梁角焊缝表面裂纹应力特征及影响因素分析

结合钢箱梁局部模型试件,针对角焊缝表面裂纹进行数值模拟,进行了裂纹尖端与裂纹前缘应力分布分析,并基于最大切向应力准则计算了裂纹面参考点的应力强度因子,最后结合疲劳裂纹实际扩展变化,考虑了不同裂纹形状对应力和应力强度因子的影响。分析结果表明:裂纹尖端存在严重的应力集中,裂纹区应力下降明显,裂纹前缘的应力水平与未出现裂纹时相同位置截面上表面应力水平相当;裂纹面受拉压应力,Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子基本为0,Ⅰ型应力强度因子总体上随着参考点角度的增大而逐渐减小;裂纹尖端应力与裂纹短长轴比基本呈线性增大关系,在短长轴比0.6以后增速减缓,随着短长轴比的增大,裂纹深度方向前缘处应力强度因子变化幅度较裂纹尖端处更大,与长裂纹区相比,短裂纹区这种差异性较明显。     

基于相互积分的应力强度因子数值分析

应力强度因子可反映裂纹尖端弹性应力场的强弱,是解决结构疲劳断裂问题的重要参数。工程上常采用有限元分析软件对各种复杂裂纹体进行数值模拟进而求解断裂问题。有限元分析软件ANSYS提供后处理功能可直接计算各种断裂参数。借助ANASYS计算平台,分别采用传统的位移插值法和基于相互积分的数值方法可求得张开型二维及三维裂纹应力强度因子。将数值分析结果与二维裂纹的解析解和三维裂纹扩展实验的测量结果进行对比分析后发现,基于相互积分理论求得的应力强度因子更为精确,这种优势在三维裂纹数值分析中更为显著。     

含有裂纹水泥混凝土路面的理论分析

以断裂力学理论为基础,将水泥混凝土路面视为Winkler地基上的弹性板,利用傅立叶积分变换,并引入位错密度函数,建立了奇异积分方程,推导出水泥混凝土路面表面存在裂纹时裂纹尖端应力强度因子的解析表达式,然后应用Lobatto-Chebyshev数值方法求解奇异积分方程,得到了应力强度因子的数值解.以实际路面为例,计算了裂...     

钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳开裂的加固研究

为研究钢桥面板疲劳开裂部位栓接角钢的加固方法,采用足尺模型试验对纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹的加固效果进行研究,采用ANSYS建立了含有疲劳裂纹的有限元模型,并基于断裂力学理论对比研究疲劳裂纹不同长度条件下的加固效果. 研究结果表明:纵肋与横隔板焊接细节的疲劳裂纹起裂于焊趾并沿纵肋腹板扩展,采用栓接角钢加固后可以使开裂部位关键测点的主拉应力和裂尖各测点的应变分别降低56%和80%,能够有效抑制疲劳裂纹的扩展;栓接角钢加固后裂尖的应力强度因子幅值最少降低80%,裂纹扩展速率显著降低;对贯穿纵肋腹板前不同长度的疲劳裂纹进行加固,裂尖应力强度因子幅值均降低60%～90%,但随着疲劳裂纹长度的增加,栓接角钢的加固方法对裂纹扩展的抑制效果不断降低,加固时机的合理选取是影响加固效果的关键因素之一.      

穿透斜裂纹应力强度因子的简便计算法

本文对复合型裂纹等价变换其应力边界条件后,利用Westergaard应力函数求解应力强度因子,从而避免了采用普遍形式复应力函数求解的复杂运算,并给出了工程上常见受载形式的斜裂纹的应力强度因子。     

基于断裂力学的钢桥面肋-板接头疲劳寿命预测

为研究反复荷载作用下正交异性钢桥面中U型肋与桥面板焊接接头的疲劳性能,基于断裂力学基本理论,利用有限元方法,进行了肋-板接头的疲劳寿命评估.根据正交异性钢桥面与U型肋连接构造基本形式,利用有限元软件ANSYS建立了包含3个U型肋的正交异性钢桥面平面有限元模型;考虑肋-板连接位置处焊接细节的4种典型裂纹,计算了2个加载工况下各裂纹处等效应力强度因子,并分析了初始裂纹长度、桥面板厚度、U型肋高度和U型肋厚度对等效应力强度因子的影响规律;依据Eurocode 3规范中正交异性钢桥面肋-板接头加载模式,采用桥面板与U型肋连接构造二维有限元模型,计算得到典型裂纹的等效应力强度因子,建立了基于断裂力学疲劳扩展模型为基础的正交异性钢桥面肋-板接头的疲劳寿命预测方法.研究结果表明:基于线弹性断裂力学原理计算得到的疲劳寿命均大于Eurocode 3规范计算值,桥面板厚度选用16~18 mm及将初始裂纹长度控制在0.1 mm以下可有效地提高板-肋接头疲劳寿命.     

不同爆炸加载参数下含裂纹试件的动光弹数值分析

采用动态光弹性的方法，对在不同爆炸加载参数下含裂纹试件的动态响应进行了研究，对爆炸过程，应力波传播规律及其对裂纹的影响进行了分析讨论。给出了应力波通过裂纹尖端时，其应力强度因子连续变化的规律；给出了改变爆炸加载参数及边界反射波对裂纹尖端应力强度因子的影响。     

预应力CFRP板加固钢板受拉疲劳性能试验研究

为较好地预测预应力碳纤维材料(CFRP)板加固钢结构的疲劳性能,采用考虑有效应力强度因子幅的Pairs公式,分析了粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为.通过粘贴CFRP板的含中心孔的预制裂纹钢板的疲劳试验,分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响.试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上,疲劳寿命的理论分析结果偏于保守;预应力是疲劳寿命的主要影响因素,而CFRP板和粘结胶性能的影响有限;应力比埘疲劳寿命的影响很大,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.     

周期性Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的应力强度因子

解析法求解复合型裂纹的应力强度因子是断裂力学基础研究中极富挑战性的困难问题，文中Westergaard应力函数法先求解出周期性I型和Ⅱ型裂纹的应力强度因子及应力场，在此基础上，针对周期性共线I-Ⅱ复合型裂纹，得到了满足控制方程和边界条件的Westergaard应力函数解，进而导出其应力强度因子的表达式，为工程问题中裂纹群的研究提供了新思路。     

基于ANSYS的轮轨接触疲劳分析

通过分析ANSYS求解断裂参数K因子的原理位移外推法,并比较ANSYS仿真计算与断裂力学的解析解结果,表明ANSYS计算K因子的精确度可以达到99.9%。对钢轨表面存在裂纹的轮轨接触疲劳问题进行研究,在不同裂纹角度下,获得不同位置的裂纹尖端应力强度因子。结果表明:随着裂纹角度的增加,应力强度因子KI增加而KII减小;在裂纹角度比较小时,裂纹以滑开型破坏为主,随着裂纹角度的增加,其破坏形式向张开型破坏转变;疲劳裂纹最危险的位置发生在接触斑边缘位置,在钢轨养护时,应选用固体润滑剂。     

反对称荷载作用下层状结构含垂直裂纹的应力强度因子

根据变形特点，设置位移模式，引入位错密度函数，建立了奇异积分方程组，并就裂纹出现在层内、扩展到界面以及穿越界面形成反射裂纹等三种情况进行了讨论，获得了裂纹尖端应力强度因子的解析表达式。最后利用正交多项式，给出了两层介质三种裂纹形成应力强度因子的数值结果。     

弯曲载荷作用下工字形截面梁腹板中心穿透裂纹的应力强度因子

工字形梁是工程中最常见的结构之一。其中的任何裂纹都将成为结构断裂失效的隐患。带有裂纹的工字形梁是典型的三维有限边界问题,用经典方法求解其裂纹的应力强度因子通常是相当困难的。本文利用裂纹非自发扩展的能量释放率建立了一个求解弯曲栽荷作用下工字形截面梁中心裂纹的应力强度因子的一个新的方法。给出了工字形截面梁裂纹非自发扩展能量释放率G^*一积分与应力强度因子的关系,同时也给出了G^*一积分与载荷、几何参量以及机械性能参数的关系,进而得到工字形截面梁腹板中心裂纹的应力强度因子。     

钢桁架桥斜拉杆螺栓裂纹尖端三维应力场研究

运用有限元分析软件建立了钢桁架桥三维仿真模型,研究受拉力最大的斜拉杆螺栓裂纹尖端空间应力场,分析了主拉应力、应力强度和van Mises应力沿三个方向的变化规律,并拟合得到离面约束因子Tz与r/t（距裂尖距离/板厚）之间的关系式.研究结果显示裂纹尖端应力集中现象突出,应力集中系数大于4;裂纹表面与内部的扩展前沿不一致,斜拉杆翼缘板偏桁架外侧裂纹扩展更快,易在螺帽内形成具有隐蔽性的类椭圆裂纹;三维应力约束的影响范围在板厚的60%以内.     

复合式路面疲劳裂纹扩展数值模拟研究

基于虚拟裂纹闭合法(VCCT)以及广义Paris公式,对隧道复合式路面的疲劳裂纹扩展寿命进行研究.首先对现有的虚拟裂纹闭合法进行改进,编写出能够模拟复合式路面疲劳裂纹扩展的子程序UEL;采用有限元软件Abaqus对子程序UEL进行调用,计算出路面结构的能量释放率以及应力强度因子,结合广义Paris公式求得其疲劳裂纹扩展寿命.改进的虚拟裂纹闭合法能以一个模型计算出多种裂纹长度对应的能量释放率,很大程度上降低了计算代价;数值模拟结果表明:Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展长度的增加而增大;Ⅱ型应力强度因子KⅡ随着裂纹长度增加先呈递减趋势,然后递增;有效应力强度因子K eff与Ⅱ型应力强度因子KⅡ的变化规律大致相同.还利用改进后的虚拟裂纹闭合法研究了上下面层模量、混凝土层模量以及超载对疲劳裂纹扩展寿命的影响.结果表明:超载系数的增大会使复合式路面的疲劳裂纹扩展寿命显著降低;疲劳裂纹扩展寿命会随着上下面层模量的增大而递增,并与上下面层模量呈近似线性关系;疲劳裂纹扩展寿命也会随着混凝土层模量的增大而递增,但递增速率会逐渐变缓.对路面疲劳寿命影响大小的次序为:超载系数>混凝土模量>下面层模量>上面层模量.研究结果对复合式路面的结构设计具有一定的参考价值.     

高强钢疲劳裂纹扩展速率的仿真模拟分析

采用相互作用积分法通过ANSYS软件对疲劳裂纹扩展过程进行模拟,并求解应力强度因子。根据试验数据利用MATLAB确定指数模型相关参数,拟合得到指数模型疲劳裂纹扩展速率曲线。将ANSYS所得的应力强度因子与指数模型相结合得到的裂纹扩展速率曲线和指数模型拟合的速率曲线二者与Paris模型速率曲线对比。结果表明:仿真所得的应力强度因子与指数模型相结合所得疲劳裂纹扩展速率曲线比指数模型所拟合出的速率曲线更加贴近Paris模型,这对于分析同类材料的疲劳裂纹扩展速率提供了参考,对分析机械结构的疲劳可靠性具有重要意义。     

集中力作用下半无限长运动裂纹的分析

导出了集中力作用下半无限长运动裂纹的应力强度因子,建立了描述裂纹扩展速度较小时材料动态裂纹特性的数学模型,研究了材料动态断裂性能对裂运动的影响,得到一些有意义的结果。