基于有限元法的含裂纹平板应力强度因子研究

许多结构和设备由于材料本身原因或使用不当会产生表面裂纹。应力强度因子是用来判定含裂纹的设备或结 构是否会失稳甚至断裂的重要依据。文中选用存在表面裂纹的有限大平板,用1/4节点奇异单元,建立含表面半椭圆裂 纹的平板有限元模型,利用ANSYS对此模型进行应力强度因子的求解。建立不同的模型进行对比分析,得出不同的裂 纹长度、深度、板厚等因素对裂纹尖端应力强度因子的影响情况,以及应力强度因子沿裂纹前缘分布规律。发现裂尖处 应力强度因子随着裂纹长度的增加而减小,随着裂纹深度的增加而增大;裂纹前缘的应力强度因子,在裂纹最深处最大, 由裂纹尖端向裂纹最深处呈现逐渐增大的变化规律。     

半无限平面压电双材料中导电界面边裂纹与螺位错的相互作用

研究了半无限大压电双材料中导电界面边裂纹与螺位错之间的相互作用问题。首先利用无限大压电双材料的位错解和扰动的概念，推导了具有导电边界半无限大压电双材料的位错解，然后使用保角变换方法，得到了含有限长导电界面边裂纹半无限大压电双材料的位错解。基于所得到的解，给出了应力强度因子和作用在位错上的像力的显函表达式，并通过数值算例分析了相互作用机理。     

基于有限元的热裂法切割液晶玻璃的仿真分析

介绍了激光热裂法,即利用移动热源控制裂纹切割玻璃。运用有限元软件Ansys的参数化设计语言建立二维模型,对激光扫描玻璃模型进行仿真。通过该仿真研究了切割过程中裂纹尖端附近的应力和裂纹尖端的应力强度因子,讨论了激光功率和激光扫描速度两关键加工参数对切割的影响,并给出了裂纹可连续扩展的加工参数范围。仿真结果表明,以裂纹尖端的应力强度因子为参考进行仿真,可以更直观的解释热裂法机理,并可以对实际激光切割液晶玻璃的加工参数进行更准确的预测,从而减少实际切割的盲目性。     

2000m~3二甲醚球罐的在线检测及有限元分析

首先,使用多通道声发射检测仪PAC SAMOS-48检测在用2000m3二甲醚球形储罐,判定出该设备存在表面裂纹缺陷及其所处位置。然后,采用超声波检测方法,确定了裂纹形状和大小。用Newman—Raju方法研究了表征裂纹缺陷前沿应力场以及位移场的重要参量即应力强度因子,并利用ANSYS建立简化的有限元模型,最终得到裂纹的应力云图和该裂纹前沿应力强度因子值,与工程估算方法得到的数值进行对比,结果表明有限元方法应用于压力容器缺陷的分析是适用的。     

多尺度材料模拟及其在含缺陷材料中的应用

多尺度建模与模拟是研究金属及合金特别是纳米结构晶体材料力学性能的重要手段。最近发展的有限温度下动态原子/离散位错耦合材料模拟方法,可进行跨原子、细观、宏观尺度的含缺陷晶体材料力学性能研究。文章应用该方法进行了微米尺寸含裂纹的fcc铝单晶材料在Ⅰ型断裂过程中的变形情况分析,获得了导致裂纹尖端发射位错的临界应力强度因子与温度及裂纹前端厚度之间的关系。     

一维六方准晶中正方形孔边双裂纹的反平面问题

本文通过引入合适的保角映射函数,充分利用复变函数方法和解析函数理论,研究一维六方准晶中正方形孔边两不对称裂纹的反平面问题。在孔周及裂纹面为自由表面的假设下,结合数值保角映射函数和复变函数中的Cauchy积分公式,得到声子场和相位子场耦合作用下复势函数的近似解,并且给出裂纹尖端应力强度因子和能量释放率的显示表达式。数值算例讨论裂纹长度和正方形边长对场强度因子的影响规律。     

塔机主臂杆三维裂纹应力强度因子的计算

采用三维裂纹奇异单元列式方法对含纵向闭合裂纹塔机主臂杆接头部位进行了应力分析和应力强度因子的计算,分析了焊接残余应力对塔机主臂杆母材强度、环向拉应力和应力强度因子的影响。     

边界元法结合裂纹闭合积分求二维裂纹应力强度因子

应用边界元法结合裂纹闭合积分求解二维裂纹应力强度因子。计算结果表明，本文方法优于常用的外推法，并且在裂纹尖端附近在区域布置特殊裂纹单元仍是必要的。     

裂纹方向压应力对混凝土断裂过程区尺度的影响

针对平行于裂纹方向作用有压应力的无限大板I型中心裂纹问题，基于Muskhelishvil应力函数得出的裂纹尖端最大拉应力和最大压应力确定了修正的莫尔强度理论的适用条件；推导了裂纹尖端微裂区临界值的解析表达式；采用幂函数模型描述的拉应变软化模型，确定了断裂过程区临界值。结果表明应用修正的莫尔强度理论评估混凝土I型裂纹尖端微裂区和断裂过程区尺度是合理的；微裂区和断裂过程区尺度随平行于裂纹方向压应力作用的增加而增加。     

含裂纹自热式转化炉的有限元模拟及安全评定

本文基于自热式转化炉表面裂纹缺陷展开工作,先依据GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》标准,对自热式转化炉表面裂纹进行安全评定,得到裂纹在安全评定图的安全区域内,并最终确定裂纹是安全的;再利用ANSYS,对表面裂纹进行二维模拟,将得到的裂纹应力强度因子的最大值与根据理论计算得到的裂纹应力强度因子值分别进行比较,结果是可信的。     

基于ANSYS的压力容器表面凹坑缺陷安全评定分析

采用通用有限元程序ANSYS建立了移动式压力容器筒体外壁表面凹坑（轴向和周向）的有限元模型。结合筒体表面凹坑的应力理论计算，研究探讨了在恒定内压下，筒体表面凹坑缺陷处的应力分布与凹坑几何尺寸之间的关系。以第三强度理论作为仿真终止判据，获取凹坑各几何参量的阈值，利用MATLAB对阈值进行最小二乘拟合，绘制出凹坑缺陷的安全评估参考曲线。拟合结果表明：轴向和周向凹坑对筒体局部结构强度的影响不同，对应的安全评估参考曲线存在区别。     

新型Cr12Mo1V1剪切刀具的破坏分析与结构优化

针对目前新型Cr12Mo1V1剪切刀具在使用中频繁发生破坏行为,采用三维有限元方法系统研究了该刀具在切割工况下的力学行为。先得到了该刀具的详细应力场,确定其危险部位,并基于经典强度理论对其破坏进行了分析与校核;详细研究了刀具在出现不同几何尺寸的三维角裂纹时,其裂纹前缘应力强度因子的分布结果。基于这些结果对该刀具的几何结构与尺寸进行了优化,降低了应力水平,提高了抗断裂强度。     

有限元分析热障涂层孔隙对其热力行为的影响

涂层的微观结构决定涂层的热物理及力学性能。针对等离子喷涂热障涂层中孔隙的形貌特征及其在涂层中的位置,基于ANSYS有限元软件,分析涂层中的孔隙对涂层隔热性能及热应力状态的影响。结果表明:在利用椭圆来表征涂层中不同形貌的孔隙时,椭圆形孔隙的短轴与长轴之比越小,即孔隙面积越小,则涂层的隔热效果越差;当孔隙面积相同时,孔隙的细长化有利于提高隔热效果;孔隙位置不影响涂层的隔热效果;在一定范围内,孔隙的位置越靠近涂层表面或界面,对其表面或界面的残余应力影响越大,涂层越容易失效;靠近涂层表面或界面的孔隙形貌变化不影响涂层表面与界面处的残余应力分布。     

大尺度溶洞型油藏压力响应特征

由于多重连续介质模型无法有效模拟大尺度溶洞与地层流动过程，需要建立新的缝洞型油藏试井解释模型研究非均质缝洞型油藏流体流动规律。将溶洞简化为一个等势体，内部压力处处相等，溶洞外流体流动满足达西定律，利用溶洞质量守恒建立了含大尺度溶洞缝洞型油藏数学模型，基于直接边界元方法对数学模型进行了求解。绘制了溶洞压力导数曲线及井底压力双对数曲线和井底压力导数曲线，研究发现，溶洞在井底压力导数曲线双对数图上反映的是一个先上凸后下凹的特征，溶洞半径越大，井底压力曲线上凸下凹幅度越大；溶洞离井距离越大，井底压力导数曲线上凸出现的时间越早。相同溶洞半径情况下，离井距离越小溶洞压力导数峰值越大；相同溶洞离井距离情况下，溶洞半径越大，压力导数峰值越小。     

带轴向运动裂纹圆柱壳的应力场

本文利用Fourier积分变换技术,研究了轴向为速扩展圆柱壳的应力场求解问题,得到了裂纹尖端应力场的小参数解。结果表明,裂纹尖端应力场的强度与裂纹扩展速度有关,而应力场的角分布与裂纹扩展速度无关。且当裂纹扩展速度这到一定位时,运动裂纹出现分枝现象。     

含孔边双边裂纹的各向异性板反平面问题

首先研究了含孔边裂纹的各向异性材料在反平面剪切载荷作用下的反平面问题,得到了用级数表示的基本解和应力强度因子,之后用边界配置法求解了应力强度因子.通过算例分析表明本方法精度高,运算量小,具有一定的工程应用价值.     

基于“互联网+”的“无车承运人”物流模式研究

以“段-中川模型”为基础,叠加几种无限大体和半无限大体的弹性力学问题解答,用选点法近似满足边界条件,推导出了均布荷载作用下含断裂过程区混凝土简支梁的应力函数全场解析解;由能量法得到了梁的自振频率,分析了裂缝长度和断裂过程区长度对自振频率的影响;将断裂过程区的长度用节点非线性弹簧表示,采用Ansys软件数值模型模拟了带断裂过程区的混凝土简支梁,得到混凝土简支梁典型截面的应力分布、竖向位移、裂缝张开位移和自振频率。理论计算结果和仿真分析结果吻合较好。     

埋深对压气储能内衬洞室稳定性影响的定量分析

采用热力耦合数值模型定量分析埋深对压气储能内衬洞室稳定性的影响.通过建立洞室内空气能量和质量守恒方程、洞室传热控制方程以及热弹性受力变形控制方程,从而建立压气储能内衬洞室热力耦合计算模型.对不同埋深时的压气储能洞室其受力变形特征进行模拟,对一个周期内的应力及变形进行分析,获得了不同埋深对压气储能内衬洞室稳定性的影响.数值模拟结果表明:埋深对密封层第一主应力和第三主应力影响不大.埋深越大,衬砌拉应力越小,而压应力越大;埋深只影响衬砌一个周期内前几个小时以及后几个小时的第三主应力值,对其余阶段应力影响不大.埋深越大,围岩压应力越大,第一主应力波动幅度越小;埋深增加,第三主应力增加.埋深越大,水平位移越小.每个时间节点洞顶竖向位移均随埋深的增加而减小.     

三维疲劳裂纹扩展仿真技术研究

应用参数化、模块化有限元建模技术和接触技术仿真半椭圆表面裂纹(前缘曲线和节点),提出了在裂纹前缘形成辐射状奇异单元网格的建模方法和采用有限元接触技术来施加裂纹模型边界条件的方法,实现了裂纹前缘奇异应力场和裂纹模型远场应力的模拟,建立了三维块体初始半椭圆表面裂纹多自由度扩展仿真模型.通过裂纹前缘离散点的正交扩展和拟合得到裂纹扩展前缘形状,使裂纹扩展更加具有自由度.提出了裂纹前缘拟合误差控制扩展步长的方法,使裂纹扩展过程中扩展步长可变.采用参数化、模块化建模技术建立了扩展裂纹模型,实验与仿真结果的比较表明两者基本吻合,说明本文所采用的方法具有很好的实用性.     

有限宽裂纹板受一对集中剪力时弹塑性解

针对运用断裂力学传统方法进行裂纹尖端的弹塑性应力场分析均为小范围塑性区的假定，不能准确反映塑性区应力情况的问题，利用裂纹线场分析方法，对理想弹塑性材料的有限宽平面板在裂纹面受到一对集中剪力作用时裂纹线附近的应力场及弹塑性边界进行了分析。不采用小范围塑性区的假设，直接通过将裂纹线附近弹塑性边界上弹性应力场与塑性应力场的匹配，获得了裂纹线附近弹塑性应力场的解析解以及弹塑性边界上单位法向量的表达式。用裂纹线分析方法可以准确地反映裂纹附近的弹塑性应力分布，该种方法的应用将成为断裂力学的一个重要发展方向，对石油天然气构造应力分析、材料力学分析具有参考价值。