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结构疲劳裂纹扩展的数值模拟

本文通过对疲劳裂纹扩展数值模拟方法的研究,为裂纹体有限元建模的参数选择提供依据,同时,结合两自由度模型计算了裂纹应力强度因子及裂纹增量的疲劳扩展,从而实现了对裂纹疲劳扩展的数值模拟技术。并取得了良好的实际效果。本文数值模拟技术的主要内容体现于以下四个方面:1.考虑到裂纹尖端处的应力奇异性,在利用有限元方法计算平板表面裂纹的应力强度因子时,裂尖区域采用三维四分之一分点20节点等参退化奇异单元。文中研究了裂纹前缘第一层单元的边长L与裂纹深度a之比L/a、围绕裂纹前缘的单元层数R以及每层单元划分的份数m(网格疏密)对计算结果的影响,并用无因次化的形状系数Y表示应力强度因子,分析结果与Newman-Raju公式计算结果基本相近。2.为了进一步探明三维表面裂纹在疲劳载荷下的扩展规律,本文对等幅拉伸载荷作用下三维表面疲劳裂纹扩展过程中其形状的变化规律进行了理论推导和有限元计算,获得了一种推导疲劳裂纹扩展过程中裂纹形状的有效方法。3.实际工程  (本文共79页) 本文目录 | 阅读全文>>

《船舶力学》2013年10期
船舶力学

不同数值积分方式对海洋结构物疲劳裂纹扩展模拟结果的影响

1引言随着地球上人口数量的急剧膨胀,陆上资源供应已趋极限,各国都把经济发展的重点转向海洋。海洋资源开发和海洋空间利用将会诞生出一系列新型海洋结构物,如多体船、新型SPAR平台、极大型浮动结构、各类大深度载人和无人潜水器、新概念潜艇、隐身舰艇等。海洋结构物需要长期工作在波涛汹涌的恶劣海洋环境中,其所受载荷具有交变的特征。通过上世纪六十年代以来的大量船舶事故的分析发现,疲劳强度的不足是导致许多事故的一个重要原因。国际船舶结构大会(ISSC)疲劳与断裂技术委员会通过对几个主要船级社的疲劳强度校核方法的比较研究表明,不同船级社标准给出的疲劳寿命的分散程度远远超过工程可接受的程度[1]。其主要原因是在目前所采用的线性累积损伤方法中,许多已被试验证明了的重要影响因素如材料初始缺陷和载荷次序等均没有被考虑。为了克服这些问题,论文第二作者所率领的课题组从2002年起开始了海洋结构物疲劳寿命预报统一方法研究,目前比较完整的理论体系已经建立[2-8...  (本文共8页) 阅读全文>>

电子科技大学
电子科技大学

薄壁结构响应特性有限元数值模拟和疲劳寿命预测方法研究

薄壁结构由于质量轻、承载性能优良,被广泛用于航空航天、船舶、汽车、压力容器等领域。此类结构的应力和应变受几何形状、边界条件等因素影响较大,除特殊情况外难以获得解析解,因此薄壁结构的基础理论和模拟方法一直是研究的热点。本文针对薄壁结构响应特性数值模拟、稳定性分析和疲劳寿命预测研究中存在的问题,进行了如下内容的研究:1.薄壁结构响应特性有限元模拟及误差修正方法研究基于薄壁结构的控制方程和有限元离散原理,系统研究了包含倒角、凸台、孔洞等特征的曲面薄壁结构的有限元离散特点和建模方法。同时基于离散过程的理论推导,研究了有限尺寸曲面薄壁结构的离散误差产生机理和计算应力的修正方法。以探针为对象,分析了曲面薄壁结构的屈曲载荷随几何尺寸和外形的变化规律,为结构稳定性分析和优化奠定了基础。2.薄壁结构基础振动数值计算方法研究基于连续体基础振动原理和有限元实现过程,建立了求解薄壁结构简谐基础振动和冲击问题的静力等效载荷法。通过施加静力等效节点载荷将简...  (本文共185页) 本文目录 | 阅读全文>>

《兰州理工大学学报》2016年02期
兰州理工大学学报

三维结构中片状疲劳裂纹扩展行为的数值模拟方法

结构的疲劳断裂是低水平复杂载荷长期作用的结果,难以得到有效的预防和检测,而且破坏的发生往往具有突发性.疲劳裂纹扩展所导致的机械关键零部件的断裂破坏不断引发灾难性的事故.利用疲劳裂纹扩展形貌的数值模拟,可以更好地研究疲劳裂纹的扩展规律,为结构的抗疲劳设计、优化设计提供支持,具有一定的实际应用价值.利用数值模拟法研究疲劳裂纹的扩展问题,具有适用性广、经济成本低、研究周期短等方面的优势,受到相关研究人员的重视,成为研究疲劳裂纹扩展规律的重要手段.目前,疲劳裂纹扩展的数值模拟,主要集中在利用结构的平面简化模型近似替代三维结构模型,利用线状疲劳裂纹扩展的模拟近似替代面状疲劳裂纹扩展的模拟.疲劳裂纹扩展的简化模拟方法的弊端在于,忽略了疲劳裂纹在扩展过程中其前沿形貌的变化,在实际应用中并不适用[1-3].本文发展了片状疲劳裂纹扩展的数值模拟方法,实现了三维结构中片状疲劳裂纹扩展行为的数值模拟,弥补了目前近似的模拟方法在疲劳裂纹扩展问题研究应用...  (本文共5页) 阅读全文>>

天津大学
天津大学

正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展过程数值模拟及其修复方法研究

正交异性钢桥板凭借其承载能力大、自重轻、施工快和结构美观等优点,很好的解决了桥梁的自重、承重和跨径之间的矛盾,已经成为大跨径钢桥的首选桥面形式。对于正交异性钢桥面板来说,由于其不但要承受其顶部车辆的循环作用,而且作为主梁的一部分共同参与受力,从而造成局部承受的应力循环次数过多,且在梁体焊接过程中会引起不可避免的应力集中及焊接缺陷,使得钢桥面板在运营一段时间后,极易产生疲劳裂纹。大跨度钢桥一旦出现疲劳裂纹,不仅维修困难、费用昂贵,而且会引起桥梁突然破坏的灾难性事故。目前疲劳开裂导致其维修加固需求十分突出,而一些维修加固的方法并不是十分有效,主要是对其疲劳失效机理的研究尚不深入。为了追踪正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展过程,为通用的正交异性板的钢桥的抗疲劳设计和开裂加固提供理论指导,本文提出了基于实桥有限元模型进行正交异性钢桥面板疲劳裂纹扩展模拟的方法和流程,并对国内外钢桥裂纹修复方法进行了分类汇总。具体研究内容及成果如下:1、提出了...  (本文共75页) 本文目录 | 阅读全文>>

上海大学
上海大学

生物硬组织材料的变形与断裂机理研究及材料设计

生物硬组织材料具有独特的结构和优良的力学性质。研究生物硬组织材料的力学性质不仅可以为预防和治疗与硬组织相关的各种疾病提供帮助,而且还可以指导工程材料的设计与加工。皮质骨、牙釉质和牙本质是人体中重要的硬组织。这些硬组织因其重要的作用而受到广泛的关注。尽管目前有很多关于皮质骨、牙釉质和牙本质变形与断裂性质的研究,但是由于自身所具有的复杂的分层次结构,这些生物硬组织材料的变形与断裂机理尚没有完全被理解。本文利用实验与数值模拟相结合的方法研究了皮质骨、牙釉质和牙本质三种生物硬组织材料的力学性质,探讨了变形与断裂机理,并根据牙釉质的微观结构进行了仿生材料设计。本文的主要工作如下:(1)采用紧凑拉伸实验测量了皮质骨的裂纹扩展阻力曲线,研究了横向和纵向裂纹扩展的增韧机理,并用多维虚内键模型模拟了皮质骨的裂纹扩展。测量了皮质骨横向和纵向的疲劳裂纹扩展速率,发现了横向短裂纹的扩展规律。皮质骨具有各向异性的裂纹扩展阻力曲线,横向断裂韧度大于纵向裂纹...  (本文共137页) 本文目录 | 阅读全文>>