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边界积分方程——边界元法在三维断裂力学中的应用

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上海交通大学学报 1984年第3期 99-108页

作者：孙和成张永元上海交通大学工程力学系上海交通大学材料科学及工程系

本文简要地评述了边界积分方程——边界元法在三维断裂力学中的应用,也回顾了边界积分方程及边界单元的离散形式,并采用常应力插值和线性位移插值函数的三角形单元,编制了计算程序,对一个具有径向内表面椭圆裂纹的受内压圆筒进行了 K值... 详细信息

本文简要地评述了边界积分方程——边界元法在三维断裂力学中的应用,也回顾了边界积分方程及边界单元的离散形式,并采用常应力插值和线性位移插值函数的三角形单元,编制了计算程序,对一个具有径向内表面椭圆裂纹的受内压圆筒进行了 K值的计算。计算结果与交替法所得结果进行了比较。计算表明:在三维断裂力学领域内,边界积分方程——边界元法是十分有效的,可以用比较粗糙的边界元网格得到精确的结果。计算是在 TQ-16电子计算机上进行的。

关键词：边界边界元法边界元素法数值分析积分方程插值函数三维断裂力学

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压电材料中三维I型断裂力学分析

力学学报 2005年第1期37卷 15-23页

作者：陈梦成张安哥野田尚昭华东交通大学土木建筑学院南昌330013 九州工业大学机械工学科

讨论了不可导通情况下三维横观各向刚性压电材料中受拉伸和电载荷作用的平片裂纹Ⅰ型断裂力学问题．使用自限部分概念，从二维线性压电理论出发，严格得到了一组以裂纹面位移间断和电势间断为未知变量的超奇异积分方程组；应用二维超奇... 详细信息

讨论了不可导通情况下三维横观各向刚性压电材料中受拉伸和电载荷作用的平片裂纹Ⅰ型断裂力学问题．使用自限部分概念，从二维线性压电理论出发，严格得到了一组以裂纹面位移间断和电势间断为未知变量的超奇异积分方程组；应用二维超奇异积分的主部分析法，从理论上分析得到了裂纹前沿应力和电势奇性指数以及应力和电位移奇性场，从而找到了以裂纹面位移间断和电势间断表示的应力和电位移强度因子、能量释放率表达式；为所得到的超奇异积分方程组建立了数值法，并用此计算了若干典型的平片裂纹问题，数值结果令人满意．

关键词：压电材料三维断裂力学超奇异积分方程应力强度因子能量释放率

构件三维断裂与疲劳力学及其在航空工程中的应用

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固体力学学报 2010年第5期31卷 553-571页

作者：郭万林于培师南京航空航天大学高新技术研究院南京210016

本文总结评述了断裂力学由二维理论到三维理论的发展历程.介绍了三维裂纹端部场的K-Tz和J-Tz双参数描述、K-T-Tz和J-QT-Tz三参数描述,以及三维弹塑性断裂准则和三维疲劳裂纹闭合模型等.通过具体的实例介绍了三维断裂理论在航空结构损伤... 详细信息

本文总结评述了断裂力学由二维理论到三维理论的发展历程.介绍了三维裂纹端部场的K-Tz和J-Tz双参数描述、K-T-Tz和J-QT-Tz三参数描述,以及三维弹塑性断裂准则和三维疲劳裂纹闭合模型等.通过具体的实例介绍了三维断裂理论在航空结构损伤容限分析中的应用.正确考虑离面约束和面内约束对裂纹端部场以及材料断裂和疲劳裂纹扩展性能的影响,能够发展航空结构损伤容限可预测设计能力.

关键词：三维断裂力学裂纹端部场三参数描述断裂准则疲劳裂纹闭合航空结构损伤容限可预测设计

三维损伤容限设计:离面约束理论与疲劳断裂准则

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机械工程学报 2021年第16期57卷 87-105页

作者：于培师赵军华郭万林江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室无锡214122 江南大学机械工程学院无锡214122 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

损伤容限设计是为保证含裂纹结构安全而发展的抗疲劳断裂设计方法。其核心思想是:承认构件中存在初始裂纹,基于断裂力学理论对裂纹疲劳扩展寿命和结构剩余强度进行分析和试验验证,并结合定期检查,保证结构在服役中裂纹不会发生失稳扩展... 详细信息

损伤容限设计是为保证含裂纹结构安全而发展的抗疲劳断裂设计方法。其核心思想是:承认构件中存在初始裂纹,基于断裂力学理论对裂纹疲劳扩展寿命和结构剩余强度进行分析和试验验证,并结合定期检查,保证结构在服役中裂纹不会发生失稳扩展。对于承受交变载荷的结构,如飞机、轮船、压力容器等,损伤容限设计思想已成为保证大型装备服役安全性和经济性相统一的科学设计理念。在回顾飞机结构强度设计理念发展的基础上,总结了损伤容限设计思想的科学内涵;阐明了损伤容限设计的理论基础—断裂力学—由二维理论发展到三维理论的必要性;详细介绍了三维损伤容限设计的理论、方法与应用。最后,对损伤容限设计的进一步发展作了简要展望。

关键词：离面约束因子损伤容限设计三维断裂力学三维断裂准则三维裂纹扩展模型

管线钢表面裂纹体的三维断裂特性和断裂判据研究

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机械强度 2009年第4期31卷 654-660页

作者：赵新伟罗金恒杨政张华张广利中国石油天然气集团公司管材研究所西安710065 西安交通大学航空航天学院西安710049

采用中心表面裂纹试样的三点弯曲试验,研究X70管线钢表面裂纹体的断裂特性。结果表明,二维断裂力学参量KⅠ已不能客观描述和表征表面裂纹体断裂现象和裂端应力场强度。采用三维断裂力学参量KZ,能很好描述和表征表面裂纹体的试验现象和... 详细信息

采用中心表面裂纹试样的三点弯曲试验,研究X70管线钢表面裂纹体的断裂特性。结果表明,二维断裂力学参量KⅠ已不能客观描述和表征表面裂纹体断裂现象和裂端应力场强度。采用三维断裂力学参量KZ,能很好描述和表征表面裂纹体的试验现象和裂纹尖端应力场强度,三维断裂韧度KZC与表面裂纹的几何尺寸和裂纹形态无关,是管线钢表面裂纹体的客观韧性指标。建立穿透裂纹和表面裂纹的统一断裂准则,即三维断裂力学准则,KZ=K(F(TZ))～(1/2)≤KZC,将该准则和失效评估图(failure assessment diagram,FAD)技术相结合,可以进行含表面裂纹管道的安全性评定。

关键词：管线钢表面裂纹断裂韧度三维断裂力学

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航空结构断裂损伤评定

航空结构断裂损伤评定

作者：杨龙南京航空航天大学

学位级别：硕士

当前工程界广泛应用的断裂理论主要是二维断裂力学理论,而实际工程结构的断裂往往具有明显的三维效应。结构强度研究必须从理想的平面理论假设向更加接近实际情况的三维理论发展,因此研究裂纹尖端的三维应力场和孔边的三维应力集中具有... 详细信息

当前工程界广泛应用的断裂理论主要是二维断裂力学理论,而实际工程结构的断裂往往具有明显的三维效应。结构强度研究必须从理想的平面理论假设向更加接近实际情况的三维理论发展,因此研究裂纹尖端的三维应力场和孔边的三维应力集中具有非常重要的意义。本文正是基于这一思想,结合某飞机部件损伤容限实验分析,利用Ⅰ-Ⅱ复合型三维断裂准则,采用有限元数值分析方法预测了该部件的剩余强度;同时运用三维缺口力学方法分析了双孔T型结构的孔边三维应力集中问题,以上工作取得了以下主要结论: 1.分析了某航空连接件裂纹尖端的应力分量及相关断裂参数的三维分布特性,发现只有在J主导区内,各参数才能准确的描述裂纹尖端场,在这种复合载荷作用下离面约束因子Tz分布规律不同于其在纯Ⅰ型载荷时的分布。 2.采用三维断裂理论,对航空连接件进行了剩余强度分析,所得结果比采用平面断裂理论更能准确的描述实验现象,这对下一步试验方案的确定起到了重要的指导作用。当裂纹位于a/B=3.5和a/B=4.5时,采用平面断裂理论得出结构早已破坏的错误结论,而采用三维理论却发现结构仍具有较大的剩余强度。 3.分析了双孔T型结构的孔边三维应力集中问题,结果发现,孔两侧三维应力集中因子沿腹板厚度呈现完全不同的分布,在圆孔左侧应力集中系数从腹板下表边至上表面呈增大趋势,而孔右侧相反,从孔半径变化对腹板两自由表面上及厚度中截面上的应力集中的影响,可以看出孔半径越大,应力集中越严重,腹板中截面处的应力集中因子较表面上的值大25%左右。

关键词：离面约束因子Ts J积分应力集中因子三维断裂力学厚度效应应力强度因子

三维约束下裂纹端部损伤演化与裂纹扩展的计算模拟

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三维约束下裂纹端部损伤演化与裂纹扩展的计算模拟

作者：邓锐南京航空航天大学

学位级别：硕士

疲劳断裂问题是常见的失效形式之一,其安全设计是飞机轻便性、安全性、经济性的的重要保障。在飞机结构中,损伤缺陷是不可避免的,而在载荷/环境谱的作用下结构的损伤会降低材料的承载能力,导致结构的破坏。损伤容限设计的提出便是为了... 详细信息

疲劳断裂问题是常见的失效形式之一,其安全设计是飞机轻便性、安全性、经济性的的重要保障。在飞机结构中,损伤缺陷是不可避免的,而在载荷/环境谱的作用下结构的损伤会降低材料的承载能力,导致结构的破坏。损伤容限设计的提出便是为了解决损伤结构安全性的问题,这一性能的校核已成为国际适航性条例的刚性要求。然而,现行的损伤结构设计方法和评定技术主要是建立在二维的理论基础上,实际结构中往往具有强烈的三维结构和载荷效应。故本文基于Abaqus有限元软件,系统地分析了几何约束效应对含裂纹结构剩余强度和破坏行为的影响,发展三维断裂破坏理论基础。研究主要工作和结论如下:1)对于弹性材料,裂尖前沿Tz的分布只与厚度尺寸以及泊松比有关,与远端载荷和面内几何尺寸无关,Tz-r/B曲线具有高度的统一性。对于弹塑性材料,当厚度和面内几何尺寸不同时,裂尖的约束不同,即使在相同载荷下,裂尖屈服状态也不同,故Tz分布不同。此时Tz分布不仅与厚度尺寸有关,而且也与远端载荷和面内几何尺寸有关,对于裂尖屈服变形敏感。2)为了进一步分析裂纹端部三维约束的作用,本文定量的分析了离面约束因子Tz的分布规律,修正后的预测弹性Tz表达公式能够较好的描述单边裂纹拉伸变形裂尖前沿Tz的分布情况。3)通过Abaqus有限元模拟不同厚度单边裂纹试样三点弯曲裂纹的扩展行为,分析了裂纹扩展过程中三维约束的作用。结果显示,裂纹变形强烈地受试样的几何约束影响,而这种约束作用可由离面约束因子Tz表征。并且,J-Tz双参数理论能很好的描述扩展后大范围屈服的裂纹尖端场应力场。

关键词：三维断裂力学三维损伤容限离面约束因子弹塑性断裂准则单边裂纹缺口试样损伤力学有限元数值分析