裂纹尖端应力强度因子的有限元计算方法分析_刘明尧_百度.

第 33 卷第 6 期刘明尧 , 柯孟龙 , 周祖德 , 等 : 裂纹尖端应力强度因子的有限元计算方法分析 121 20 mm 的平板为例 , 采用 ANSYS 命令流的方法 , 得出外推法和虚拟裂纹闭合法所需的暂存空间分别为 2. 172 M B 、0 . 873 M B , 所需的总计算时间分别为 7 . 33 s 、3 . 55 s , 虚拟裂纹闭合法的效率更高。综上所述 , 虚拟裂纹闭合法能达到解析法、 1/ 4 节点法和位移外推法的计算精度 , 且由于其对裂纹尖端单元性质要求低 , 计算简单易行、效率更高 , 适合各种单元类型和结构的计算 , 是计算裂纹尖端应力强度因子很好的选择。 4结论 a. 采用逐节点建模和实体建模相结合方法建立了含裂纹板有限元模型 , 说明了该方法的可行性。 b. 分析了 1/ 4 节点法、位移外推法、虚拟裂纹闭合法的特点 , 1/ 4 节点法精度高但难以进行数值模拟 , 位移外推法相比于 1/ 4 节点法更节约计算资源 , 虚拟裂纹闭合法间接求解应力强度因子且不受裂纹尖端单元性质的影响。根据有限元计算的节点位移和节点力 , 分别用 1/ 4 节点法、位移外推法、虚拟裂纹闭合法计算应力强度因子并与手册值比较 , 3 种方法都能达到较高的精度。计算的过程表明 , 虚拟裂纹闭合法的效率最高 , 1/ 4 节点法最低。 c. 研究了裂纹长度、平板几何尺寸对裂纹尖端应力强度因子 K I 的影响。 K I 与平板受的载荷成线性关系; 当

平板宽度和高度分别满足 a/W >0 . 2 、a/ H > 0. 1 时 , K I 受 W 、H 的影响较大 ; 当a/W < 0. 2 或 a/ H < 0. 1 时 , K I 值分别随 W 、H 而趋于σ πa 。 d. 通过 1/ 4 节点法、位移外推法、虚拟裂纹闭合法 3 种方法的比较分析 , 可知虚拟裂纹闭合法更具优势 , 这对选择合适的裂纹尖端应力强度因子计算方法具有指导意义。计算得

到的裂尖应力强度因子 , 为较精确地进行裂纹的疲劳扩展和寿命预测提供了前提基础。参考文献 [ 1] 瞿伟廉 , 鲁丽君 , 李明 . 带三维穿透裂纹结构的有限元实体建模方法[ J] . 武汉理工大学学报 , 2008 , 30( 1 : 87-90 . [ 2] 陈传尧 . 疲劳与断裂[ M] . 武汉 : 华中科技大学出版社 , 2002 . [ 3] L in X B , Smith R A .F inite Element M odelling of Fatigue Cr ack Gr ow th o f Surface C racked Pla te s[ J] .Eng ineering F racture M echanics , 1999 , 63 : 503-522 . [ 4] 马艳 . 结构表面裂纹应力强度因子计算方法研究[ D] . 大连: 大连理工大学 , 2007 . [ 5] Rice J R . A Path Indepe ndent Integ ral and the Appro xima te A na ly sis of Str ain Concentratio n by N otches and Cracks[ J] . J A ppl M ech , 1968 , 35 : 379 -386 . [ 6] 周益春 , 郑学军 . 材料的宏微

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