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圆柱体表面椭圆裂纹应力强度因子的有限元分析和研究

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第1章 绪论

1.1 本课题研究的工程意义及背景

1.2 表面裂纹应力强度因子研究的国内外现状

1.3 表面裂纹应力强度因子研究的各种方法的优缺点

1.4 有限元方法计算表面裂纹应力强度因子的优点

1.5 本文主要研究的内容

第2章 有限元法计算应力强度因子的基本思想和计算流程

2.1 四分之一节点位移法

2.1.1 裂纹区单元划分1/4节点的证明

2.1.2 1/4节点单元奇异性证明[65-68]

2.2 应力强度因子的有限元分析过程

2.2.1 ANSYS有限元分析软件介绍

2.2.2 ANSYS有限元分析软件求解应力强度因子的过程

2.2.3 ANSYS位移外推法即1/4节点位移法说明

第3章 圆柱体表面椭圆裂纹应力强度因子有限元分析前处理程序

3.1 圆柱体表面椭圆裂纹有限元模型总体规划

3.1.1 单元的介绍及选取

3.1.2 单元的规划[71-72]

3.2 APDL参数化建模

3.2.1 APDL语言介绍

3.2.2 用APDL语言直接生成初始奇异单元模型

3.2.3 奇异单元1/4节点的添加

3.3 奇异单元的设置

3.3.1 奇异单元在椭圆线上分布设置

3.3.2 奇异单元范围设置

3.3.3 圆柱体长度设置

3.4 载荷条件、计算参数选取

3.5 模型边界条件的施加

3.6 用APDL定制用户图形交互界面

第4章 有限元计算程序后处理及应力强度因子计算结果讨论

4.1 说明

4.2 应力强度因子K1求解步骤

4.3 计算结果处理方案

4.4 计算结果讨论

4.4.1 修正因子最大值分布情况的分析

4.4.2 最深点修正因子分析

4.4.3 表面点修正因子分析

4.4.4 中间出现F最大值时点的位置范围分析

4.4.5 a/D为定值时,各种a/b情况下修正因子变化情况分析

4.5 圆柱体表面椭圆裂纹应力强度因子计算结果的实验验证

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录Ⅰ 本文部分程序

附录Ⅱ 硕士期间发表论文

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摘要

本文以断裂力学理论为基础,利用有限元分析方法,对圆柱体表面椭圆裂纹的应力强度因子进行了分析和研究:
   论述了表面裂纹应力强度因子的国内外研究现状,比较了表面裂纹应力强度因子研究中各种方法的优缺点,可以看到,有限元法的优点为:单元的布局和节点的配置方式比较灵活,对裂纹的形状和位置无特殊的限制。
   对利用ANSYS参数化设计语言APDL分析问题时所涉及的一些带有共性的基础性问题进行了探讨,研究了ANSYS命令流及APDL语言在断裂力学数值模拟中的应用。
   研究了奇异单元的尺度对计算结果的影响,选取了奇异单元最佳尺度范围,使该方法具有通用性强和精度高的特点。
   本文研究表明,圆柱体表面椭圆裂纹应力强度因子的最大值除了出现在裂纹前缘的最深点和表面点之外,中间某些点(中间某点和椭圆中点的连线与短半轴夹角φ的弧度值在1.066到1.327之间)也会出现最大值。
   通过分析,得出了圆柱体表面椭圆裂纹最深点和表面点应力强度因子的变化规律,绘制了圆柱体表面椭圆裂纹应力强度因子的变化曲线。
   本文的计算结果与实验结果吻合良好,对断裂力学在工程实际中的应用提供重要的参考价值。

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