源于半球形缺陷表面裂纹问题的研究

论文摘要

由于传统的观念和经验,人们对缺陷都有很强的排斥感,都会认为如果结构中存在缺陷就会带来不好的影响,但是由于所有的构件和材料在制造或生产的同时都会产生缺陷(裂纹、空洞、夹杂等)。单一的某种缺陷的存在都会降低结构的性能,但是经本文研究如果有两种或两种以上的缺陷共同作用于同一线弹性体,有的时候会对结构起到保护作用。本文所研究的模型为半圆形表面裂纹和半球形表面缺陷共同作用一线弹性体,比起研究单一缺陷的影响更有实际的意义。由于从理论方面研究断裂问题只能研究一些简单的模型或者做一些很强的假设条件,这样一来就限制了断裂力学的发展和实际应用,而通过试验的方法探求其规律成本高、周期长。所以一般对于三维表面断裂力学的分析都是借助于有限元软件来得到一些数值解,从中得出规律。值得注意的是到目前为止的文献中,还没有对含半球形缺陷的表面裂纹体中有关平行于裂纹边界尺寸对裂纹前沿应力强度因子的影响进行报道。通过对现有文献的查阅发现在二维裂纹体问题中,当该边界尺寸与裂纹尺寸相比小于某个值时,其尺寸的大小对应力强度因子的影响不容忽视。本文所要研究的问题为含半球形缺陷的三维表面裂纹问题。比仅含单一表面裂纹问题更加复杂。主要采用有限元法对Ⅰ型三维表面裂纹体的应力强度因子进行数值分析。主要对含半球形缺陷表面裂纹的无限大裂纹体进行研究。研究发现,半球形缺陷对裂纹体尖端的应力强度因子影响很大。当其小于某个值时,此缺陷能对裂纹体起到保护作用;当大于这个值时,此缺陷对裂纹体起到放大作用,使结构更加危险。还着重研究了在有限大体中,平行于裂纹边界尺寸对裂纹前沿应力强度因子的影响,及半球形缺陷的半径对裂纹体应力强度因子的影响。结果表明,半球形缺陷的影响基本上同无限大时相同;平行与裂纹边界的影响也是很大,随着其尺寸的减小影响逐渐增大,本文定性的绘出了其变化速度的曲线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.1.1 断裂力学的发展
• 1.1.2 课题的来源及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 Irwin的研究情况
• 1.2.2 Paris-Sih的研究情况
• 1.2.3 Kobayashi的交替迭代法
• 1.2.4 Shah和Kobayashi的交替迭代法
• 1.2.5 Newman和Raju的有限元法
• 1.2.6 Etemad应力集中区裂纹的研究情况
• 1.2.7 国内外研究现状的总结
• 1.3 本文的主要研究内容和计算模型
• 1.4 本章小结
• 第2章 线弹性断裂力学概述
• 2.1 引言
• 2.2 线弹性断裂力学与应力强度因子
• 2.2.1 线弹性断裂力学概述
• 2.2.2 应力强度因子
• 2.3 三维裂纹问题
• 2.4 应力强度因子的求解
• 2.5 本章小结
• 第3章 有限元方法概述及ANSYS软件介绍
• 3.1 引言
• 3.2 有限元方法概述
• 3.2.1 有限元法的基本思想
• 3.2.2 有限元法的发展和现状
• 3.2.3 弹性力学方程
• 3.2.4 求解应力强度因子的一些方法
• 3.3 ANSYS软件介绍
• 3.3.1 ANSYS软件的发展
• 3.3.2 ANSYS软件在断裂力学中的应用
• 3.4 本章小结
• 第4章 半球形缺陷对无限大裂纹体的影响
• 4.1 引言
• 4.2 验证半圆形表面缺陷裂纹体的正确性
• 4.2.1 模型的选取与建立
• 4.2.2 计算结果及分析
• 4.2.3 含半球形缺陷的无限大裂纹体的确定
• 4.3 含缺陷裂纹体的应力强度因子
• 4.3.1 模型的选取
• 4.3.2 计算结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 沿载荷方向尺寸变化对裂纹体的影响
• 5.1 引言
• 5.2 模型的选取及计算结果
• 5.3 有限大裂纹体半球形缺陷的影响
• 5.4 沿载荷方向尺寸对应力强度因子的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢