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Ⅲ型应力强度因子分析的williams单元

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中南大学学报（自然科学版） 2012年第8期43卷 3237-3243页

作者：徐华杨绿峰佘振平广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室广西南宁530004 广西壮族自治区住房与城乡建设厅广西南宁530028

基于反平面断裂是工程结构的一类重要断裂类型,利用常规单元或奇异单元分析Ⅲ型裂尖应力强度因子(简记为SIF)时存在诸多困难,首先建立Ⅲ型裂纹裂尖奇异区单元总体位移场的williams级数表达式,利用普通有限元形函数建立奇异域子单元的局... 详细信息

基于反平面断裂是工程结构的一类重要断裂类型,利用常规单元或奇异单元分析Ⅲ型裂尖应力强度因子(简记为SIF)时存在诸多困难,首先建立Ⅲ型裂纹裂尖奇异区单元总体位移场的williams级数表达式,利用普通有限元形函数建立奇异域子单元的局部位移场,然后根据总体场控制局部场的原则,建立裂尖奇异域分析的williams单元,以直接确定Ⅲ型裂纹裂尖的SIF。在此基础上,研究williams单元的径向离散因子、离散数和级数项这3个重要参数以及裂纹长度对裂尖SIF的影响,并给出这3个重要参数的建议值。研究结果表明:对于Ⅲ型裂纹应力强度因子,williams单元具有很高的计算精度和效率。

关键词： Ⅲ型裂纹应力强度因子 williams单元广义参数有限元法

半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展过程分析的williams单元

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工程力学 2013年第6期30卷 247-253页

作者：徐华杨绿峰佘振平广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全重点实验室广西南宁530004 广西壮族自治区住房与城乡建设厅广西南宁530028

该文对半刚性基层沥青路面结构采用弹性层状体系平面应变分析模型,利用改进的williams级数,结合广义参数有限元法和常规等参元,建立了反射裂缝裂尖应力强度因子分析的广义参数williams单元,并推导了williams单元的刚度方程,据此研究了... 详细信息

该文对半刚性基层沥青路面结构采用弹性层状体系平面应变分析模型,利用改进的williams级数,结合广义参数有限元法和常规等参元,建立了反射裂缝裂尖应力强度因子分析的广义参数williams单元,并推导了williams单元的刚度方程,据此研究了正对称荷载和偏载分别作用时,反射裂缝扩展过程中应力强度因子的变化规律;重点分析了偏载作用下路面结构层参数与应力强度因子之间的关系。williams单元中含有与应力强度因子相关的参数,可以直接获得裂尖应力强度因子。算例分析表明:williams单元与传统方法的计算结果吻合较好,且格式简单,计算精度高,适用于沥青路面反射裂缝扩展过程分析。

关键词：沥青路面反射裂缝 williams单元应力强度因子半刚性基层

曲线裂纹裂尖SIFs等效分析的广义参数williams单元确定方法

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工程力学 2020年第6期37卷 34-41页

作者：徐华邓鹏蓝淞耀刘祖容杨绿峰广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室广西防灾减灾与工程安全重点实验室广西南宁530004 广西壮族自治区住房和城乡建设厅广西南宁530028

基于williams级数建立的含直线裂纹平面弹性体裂尖应力强度因子(Stress Intensity Factors,简记SIFs)分析的广义参数williams单元(简记W单元),因裂纹面必须满足σθ=0、τρθ=0(θ=±π)的边界条件,而曲线裂纹面无法满足该边界条件使得... 详细信息

基于williams级数建立的含直线裂纹平面弹性体裂尖应力强度因子(Stress Intensity Factors,简记SIFs)分析的广义参数williams单元(简记W单元),因裂纹面必须满足σθ=0、τρθ=0(θ=±π)的边界条件,而曲线裂纹面无法满足该边界条件使得W单元不能直接适用。该文针对此问题,将含曲线裂纹平面弹性体裂尖局部区域进行等效处理,以裂尖为圆心,选取合适的半径建立等效区,即截取斜率呈单调变化的曲线微段,在微段两端引切线交叉成折线段,以该折线段近似代替曲线微段。算例分析表明:当等效区的尺寸取建议值时,该文方法的计算结果精度较高,证明了该文改进方法在分析曲线裂纹尖端SIFs的合理性,同时给出了等效区尺寸的建议值,即ψmin=5π/6,且等效区截取曲线长度宜大于原曲线长度的1/5。

关键词：曲线裂纹等效区应力强度因子 williams单元广义参数

应力强度因子分析的三角形williams单元

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应用力学学报 2011年第6期28卷 570-575,670页

作者：杨绿峰徐华汪梅兰广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室南宁530004 广西壮族自治区住房与城乡建设厅南宁530028

弹性断裂分析的williams广义参数单元计算模型中忽略了紧邻裂尖的微区域,为了进一步完善该计算模型,本文提出并建立了三角形williams单元。首先围绕裂尖将奇异区均匀分割为有限个三角形单元,利用改进的williams级数建立该单元的整体位... 详细信息

弹性断裂分析的williams广义参数单元计算模型中忽略了紧邻裂尖的微区域,为了进一步完善该计算模型,本文提出并建立了三角形williams单元。首先围绕裂尖将奇异区均匀分割为有限个三角形单元,利用改进的williams级数建立该单元的整体位移场计算模型;其次沿径向将该三角形单元进一步离散为多个相似四边形微单元和裂尖三角形微单元,并利用经典有限元理论建立微单元的局部位移场计算模型;然后利用整体位移场控制各微单元结点位移,并在此基础上研究建立裂尖奇异区三角形williams单元及其控制方程。该单元模型中含有与裂尖应力强度因子相关的参数,能够直接计算裂尖处的应力强度因子。最后结合算例详细分析了三角形williams单元计算模型中径向离散因子、离散数、williams级数项对计算结果的影响。算例分析表明,三角形williams单元所得的应力强度因子具有对奇异区尺寸不敏感的优点,且收敛快,计算精度高。

关键词： williams单元三角形应力强度因子广义参数

裂纹面分布加载裂尖SIFs分析的广义参数williams单元

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应用数学和力学 2022年第7期43卷 752-760页

作者：徐华曹政邹云鹏杨绿峰广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室南宁530004 广西大学土木建筑工程学院广西防灾减灾与工程安全重点实验室南宁530004 广西桂能工程咨询集团有限公司南宁530015

带裂缝服役是工程结构的常态,由于流体侵入到裂缝内部,裂纹面直接受荷,使得裂缝进一步扩展,甚者影响结构的安全性.广义参数williams单元(简记W单元)在分析断裂问题中,利用williams级数建立裂尖奇异区的位移场,通过求解广义刚度方程可直... 详细信息

带裂缝服役是工程结构的常态,由于流体侵入到裂缝内部,裂纹面直接受荷,使得裂缝进一步扩展,甚者影响结构的安全性.广义参数williams单元(简记W单元)在分析断裂问题中,利用williams级数建立裂尖奇异区的位移场,通过求解广义刚度方程可直接获得应力强度因子(stress intensity factors,SIFs),具有高精高效性;但W单元需满足奇异区内裂纹面自由的边界条件,故在分析裂纹面加载的问题中受限.该文基于SIFs互等,在等效奇异区范围中,将裂纹面的荷载等效为奇异区外围边界裂纹面上的集中力,避免奇异区内裂纹面受荷,故采用W单元即可简便计算.算例分析表明:等效奇异区尺寸取裂纹长度的1/20,等效荷载系数P建议取2.0,W单元计算精度均满足1%的误差限,证明该文在奇异区裂纹面受荷等效处理方法上具有合理性、通用性,克服了W单元在分析裂纹面加载问题的局限性.

关键词：裂纹面加载荷载等效应力强度因子 williams单元广义参数

广义参数williams单元分析受弯裂纹梁的应力强度因子

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广西大学学报（自然科学版） 2013年第4期38卷 810-816页

作者：刘文祥徐华杨绿峰广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室广西南宁530004 广西壮族自治区住房和城乡建设厅广西南宁530028

鉴于普通有限元和奇异单元分析三点或四点弯曲裂纹梁时存在精度不高的问题,研究建立了裂尖应力强度因子分析的广义参数williams单元。首先对梁中裂尖奇异区子单元建立普通有限元刚度方程,然后利用总体位移场和单元位移场之间的关系,将... 详细信息

鉴于普通有限元和奇异单元分析三点或四点弯曲裂纹梁时存在精度不高的问题,研究建立了裂尖应力强度因子分析的广义参数williams单元。首先对梁中裂尖奇异区子单元建立普通有限元刚度方程,然后利用总体位移场和单元位移场之间的关系,将普通单元刚度方程转换成广义参数单元刚度方程,并利用等比级数求和公式获得williams单元刚度方程的显性表达式,进而分析了影响williams单元的3个重要参数——径向离散比例因子、子单元数以及级数项数对应力强度因子的影响,并确定了3个参数的取值,α=0.9,m=6,n=100,同时分析了裂纹长度对裂纹梁跨中位移的影响。结果表明,williams单元比ANSYS商业软件具有更高的计算精度,能够快速稳定收敛,可以较好地解决梁的断裂问题。

关键词：裂纹梁广义参数有限元 williams单元应力强度因子

孔洞对平面裂纹应力强度因子影响分析的广义参数williams单元

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力学季刊 2018年第3期39卷 505-512页

作者：徐华李晓敏潘玮杨绿峰广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全重点实验室广西防灾减灾与工程安全重点实验室广西南宁530004 广西壮族自治区住房和城乡建设厅广西南宁530028

本文采用圆形奇异区广义参数williams单元(W单元)建立了中心裂纹与圆孔共存的平面应力模型,奇异区外围利用ABAQUS有限元软件自动网格离散技术与FORTRAN95编程前处理相结合,克服了自主编程中网格离散的局限性.算例分析了圆孔位置和几何... 详细信息

本文采用圆形奇异区广义参数williams单元(W单元)建立了中心裂纹与圆孔共存的平面应力模型,奇异区外围利用ABAQUS有限元软件自动网格离散技术与FORTRAN95编程前处理相结合,克服了自主编程中网格离散的局限性.算例分析了圆孔位置和几何参数对I-II混合型裂纹尖端应力强度因子(SIFs)的影响,并与扩展有限元法(XFEM)计算结果进行比较.结果表明:靠近圆孔一侧的裂尖SIFs大于远离圆孔一侧的裂尖SIFs;控制圆孔左边缘到裂纹中心的距离,则两侧裂尖SIFs随圆孔半径的增大而增大;圆孔中心与裂纹中心水平距离越远,圆孔对裂纹扩展的影响越小.同时,基于圆形奇异区的W单元直接计算得到的裂尖SIFs与扩展有限元法得到的解吻合较好,证明了W单元对奇异区离散形状不敏感,且具有高效率和高精度.

关键词： williams单元应力强度因子广义参数扩展有限元法

交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的williams单元

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广西大学学报（自然科学版） 2020年第1期45卷 75-84页

作者：徐华韩林君杨绿峰广西大学土木建筑工程学院广西南宁530004 工程防灾与结构安全教育部重点实验室广西南宁530004 广西防灾减灾与工程安全重点实验室广西南宁530004 广西壮族自治区住房与城乡建设厅广西南宁530028

为了研究交叉裂纹各裂尖应力强度因子之间的相互影响,建立了交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的williams单元,以十字交叉裂纹为例,分别对正交十字裂纹或斜十字裂纹各裂尖应力强度因子相关参数进行研究,分析了薄板尺寸、裂纹夹角... 详细信息

为了研究交叉裂纹各裂尖应力强度因子之间的相互影响,建立了交叉裂纹各裂尖应力强度因子同时快速求解的williams单元,以十字交叉裂纹为例,分别对正交十字裂纹或斜十字裂纹各裂尖应力强度因子相关参数进行研究,分析了薄板尺寸、裂纹夹角与奇异区尺寸等相关参数对十字交叉裂纹各裂尖应力强度因子的影响,其中KⅠ、KⅡ为裂尖Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子。算例分析表明,当板宽与裂纹长度满足W/a≥13时,能够忽略板的尺寸对正交十字裂纹裂尖应力强度因子的影响,可视为无限大板;对于斜十字裂纹情况,当水平裂纹长度不变时,随着斜裂纹长度参数d的增大,KⅠ,A、KⅡ,C和KⅠ,D逐渐递减,而KⅡ,A、KⅠ,B、KⅡ,B和KⅠ,C逐渐递增,对于KⅡ,D则出现先减后增的趋势;当斜裂纹长度参数d=0时,随着裂纹夹角γ的变化,KⅠ,A、KⅠ,B大小相等,符号相同,KII,A、KⅡ,B则大小相等,符号相反,且各裂尖应力强度因子对裂尖奇异区尺寸不敏感。证明了williams单元能够同时快速求解交叉裂纹各裂尖应力强度因子,且具有较高的计算精度。

关键词：交叉裂纹应力强度因子 williams单元无限大板

基于williams单元的半刚性基层沥青路面Top-down和Bottom-up裂缝断裂参数及疲劳寿命研究

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基于Williams单元的半刚性基层沥青路面Top-down和Bottom-up裂缝...

作者：徐德峰广西大学

学位级别：硕士

本文Top-down裂缝和Bottom-up裂缝特指半刚性基层沥青路面横向表面裂缝和横向基底裂缝。基底裂缝和表面裂缝共存对半刚性基层沥青路面结构强度和刚度的削弱程度比仅含单条基底裂缝或仅含单条表面裂缝时更加严重,在外荷载作用下,基底裂... 详细信息

本文Top-down裂缝和Bottom-up裂缝特指半刚性基层沥青路面横向表面裂缝和横向基底裂缝。基底裂缝和表面裂缝共存对半刚性基层沥青路面结构强度和刚度的削弱程度比仅含单条基底裂缝或仅含单条表面裂缝时更加严重,在外荷载作用下,基底裂缝和表面裂缝对结构整体刚度的削弱可能进一步加速路面结构的开裂,降低路面结构的使用寿命;此外,应力强度因子不仅表征半刚性基层沥青路面裂缝尖端应力场和位移场,还是裂缝扩展和疲劳寿命计算的关键依据,因而成为断裂力学分析的最重要的断裂参数之一。若采用有限元法,裂尖采用奇异单元计算多裂纹断裂参数,则计算结果受奇异区尺寸和奇异单元个数影响,且需对每个裂尖均采取线性外推法或相互作用积分法等复杂后处理,计算精度低,计算工作量大。因此,本文基于广义参数williams单元,围绕基底裂纹和表面裂纹共存的半刚性基层沥青路面计算模型开展研究,主要内容如下:1、基于半刚性基层沥青路面各结构层采用同一材料参数的假定研究建立了平面板多裂纹断裂参数分析的广义参数williams单元,只需求解每个裂尖的广义参数即可直接获得所有裂尖应力强度因子,避免了有限元法分析多裂纹时需对每个裂尖均采用复杂后处理计算裂尖应力强度因子所造成的庞大计算工作量和精度损失问题。算例对比了 williams单元解、奇异单元解和精确解,证明本文方法比有限元法具有更高的计算精度和更少的离散自由度。2、考虑实际情况半刚性基层沥青路面各结构层为不同材料,研究建立了基底裂纹和表面裂纹裂尖应力强度因子分析的广义参数williams单元并编制了相应的Fortran计算机程序;初步实现了 Ansys有限元分析软件与williams单元程序的对接。对接方法结合了 Ansys自由网格划分优点和williams单元无需复杂后处理且计算结果对奇异区尺寸不敏感等优点,可以求解任意不规则裂纹问题。算例根据williams单元分析了交通荷载位置对基底裂纹和表面裂纹裂尖应力强度因子的影响,并与奇异单元解进行对比,证明了 williams单元分析各结构层采用不同材料的半刚性基层沥青路面基底裂纹和表面裂纹裂尖应力强度因子的正确性和高效性。3、根据基底裂纹和表面裂纹裂尖williams单元分析了表面裂纹位置、各结构层模量和厚度等对各裂尖应力强度因子的影响,并据此提出相应的阻裂措施。由算例分析可知:适当地减小面层模量或增大半刚性基层厚度均可抑制或延缓表面裂纹扩展;适当地增大底基层模量或底基层厚度均可抑制或延缓基底裂纹扩展。4、研究建立了基于广义参数的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹和纯Ⅱ型裂纹疲劳扩展寿命预估模型,分别用于预估基底裂纹和表面裂纹疲劳扩展寿命。传统基于应力强度因子的Paris模型需要拟合出应力强度因子与裂纹扩展长度之间的函数关系式,而本文模型只需拟合出广义参数与裂纹扩展长度之间的函数关系式,避免了传统模型求解裂尖应力强度因子的复杂后处理过程,计算精度和计算效率更高。

关键词： williams单元半刚性基层沥青路面 Top-down裂缝 Bottom-up裂缝应力强度因子疲劳寿命