含缺陷弹性体表面裂纹应力强度因子的数值计算毕业论文.doc
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含缺陷弹性体表面裂纹应力强度因子的数值计算毕业论文,摘要工程结构中常存在表面裂纹或缺陷，例如飞机上的航炮经多次发射，在内膛将产生表面裂纹。由于表面裂纹是三维问题，给问题的解决带来了很大的困难。有限元方法为求解三维问题带来了方便，应力强度因子由裂纹面上的张开位移推算、位移则利用有限元分析程序ansys算得，将该程序中两种三维单元适当搭配 可大大减少所用的自由度。无限大裂纹...
内容介绍
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摘 要
工程结构中常存在表面裂纹或缺陷，例如飞机上的航炮经多次发射，在内膛将产生表面裂纹。由于表面裂纹是三维问题，给问题的解决带来了很大的困难。有限元方法为求解三维问题带来了方便，应力强度因子由裂纹面上的张开位移推算、位移则利用有限元分析程序ANSYS算得，将该程序中两种三维单元适当搭配 可大大减少所用的自由度。
无限大裂纹体中，裂纹前沿最大的应力强度因子是R/r的函数，r为半球形表面缺陷的半径。且半球形表面缺陷并不总是使应力强度因子变大；有限大裂纹体中裂纹前沿最大的应力强度因子在R/r特定的情况下随这r/t的增大而增大，在r/t特定的情况下随着R/r的增大而增大；不管裂纹体为无限大或有限大，半球形表面缺陷影响下表面裂纹前沿的应力强度因子均随着裂尖与前自由表面间距离的增大而减小。
关键词 有限元 表面缺陷 应力强度因子 半球形表面裂纹
Abstract
This paper studies the finite element method for calculating the stress intensity factors of a semi-elliptical surface crack, the suitable locations and the optimum size of the singular isoparametric elements are presented . To verify the conclusion of this pare the -stress-intensity factors of a semi-spherical surface crack in a tension specimen and a cylinder are calculated.The values were calculated from the opening displacements on the face of the cracks. .The general finite element program ANSYS is used for analyzing the displacements. Proper assignment of the two kinds of 3-D three-dimensional elements in this program will significantly reduce the number of digree of freedom.
The maximum stress intensity factor is a function of R/r (r is the radius of the surface semi-spherical cavity) for the infinite cracked body. And the surface semi-spherical cavity doesn’t always amplify the stress intensity factors(SIFS) when it is compared to the stress intensity factors for the corresponding infinite cracked body without the surface semi-spherical cavity. The maximum stress intensity factors(SIFS) doesn’t always increase with the ratio of R/t. And the stress intensity factor(SIFS), at this point will decrease with the increase of R/t., the stress intensity factors(SIFS) in the crack front decreases with the increase of the distance from the upper free surface regardless of the cracked body type(infinite or finite) .
Key words finite element method，surface flaw，stress intensity factor ，semi-spherical surface crac
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 半椭圆表面裂纹的研究现状 2
1.2.2 圆柱体表面裂纹的研究与发展 6
1.3 本文的主要研究内容 7
第2章 线弹性断裂力学与有限元法 8
2.1 线弹性断裂力学概述 8
2.1.1 裂纹及其分类 9
2.1.2 应力强度因子 14
2.1.3 三维裂纹问题及应力强度因子的求解 17
2.2 有限元法及ANSYS优化程序简介 18
2.3 本章小结 21
第3章 弹性体表面裂纹的数值分析 22
3.1 计算模型 22
3.1.1 裂纹几何形状的基本假设 22
3.1.2 应力强度因子的计算方法 22
3.2 几何模型的选取 24
3.3 利用ANSYS建立有限元模型 25
3.4 数据处理分析及对比 26
3.4.1 数据分析 26
3.4.2 结果对比 28
3.5 本章小结 29
第4章 含半球形缺陷弹性体表面裂纹的三维模拟及数值分析 30
4.1 无限大体中含半球形缺陷表面裂纹问题 30
4.1.1 几何模型的选取 30
4.1.2 有限元模型的建立 32
4.1.3 数值分析及对比 35
4.1.4 应力强度因子的影响 36
4.2 有限大体中含半球形缺陷表面裂纹问题 39
4.2.1 模型选取及数值的对比 39
4.3 表面缺陷对应力强度因子的影响 42
4.4 裂纹体厚度对应力强度因子的影响 46
4.5 本章小结 47
结 论 48
致 谢 49
参 考 文 献 50
附录 1 52
附录 2 60
工程结构中常存在表面裂纹或缺陷，例如飞机上的航炮经多次发射，在内膛将产生表面裂纹。由于表面裂纹是三维问题，给问题的解决带来了很大的困难。有限元方法为求解三维问题带来了方便，应力强度因子由裂纹面上的张开位移推算、位移则利用有限元分析程序ANSYS算得，将该程序中两种三维单元适当搭配 可大大减少所用的自由度。
无限大裂纹体中，裂纹前沿最大的应力强度因子是R/r的函数，r为半球形表面缺陷的半径。且半球形表面缺陷并不总是使应力强度因子变大；有限大裂纹体中裂纹前沿最大的应力强度因子在R/r特定的情况下随这r/t的增大而增大，在r/t特定的情况下随着R/r的增大而增大；不管裂纹体为无限大或有限大，半球形表面缺陷影响下表面裂纹前沿的应力强度因子均随着裂尖与前自由表面间距离的增大而减小。
关键词 有限元 表面缺陷 应力强度因子 半球形表面裂纹
Abstract
This paper studies the finite element method for calculating the stress intensity factors of a semi-elliptical surface crack, the suitable locations and the optimum size of the singular isoparametric elements are presented . To verify the conclusion of this pare the -stress-intensity factors of a semi-spherical surface crack in a tension specimen and a cylinder are calculated.The values were calculated from the opening displacements on the face of the cracks. .The general finite element program ANSYS is used for analyzing the displacements. Proper assignment of the two kinds of 3-D three-dimensional elements in this program will significantly reduce the number of digree of freedom.
The maximum stress intensity factor is a function of R/r (r is the radius of the surface semi-spherical cavity) for the infinite cracked body. And the surface semi-spherical cavity doesn’t always amplify the stress intensity factors(SIFS) when it is compared to the stress intensity factors for the corresponding infinite cracked body without the surface semi-spherical cavity. The maximum stress intensity factors(SIFS) doesn’t always increase with the ratio of R/t. And the stress intensity factor(SIFS), at this point will decrease with the increase of R/t., the stress intensity factors(SIFS) in the crack front decreases with the increase of the distance from the upper free surface regardless of the cracked body type(infinite or finite) .
Key words finite element method，surface flaw，stress intensity factor ，semi-spherical surface crac
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 半椭圆表面裂纹的研究现状 2
1.2.2 圆柱体表面裂纹的研究与发展 6
1.3 本文的主要研究内容 7
第2章 线弹性断裂力学与有限元法 8
2.1 线弹性断裂力学概述 8
2.1.1 裂纹及其分类 9
2.1.2 应力强度因子 14
2.1.3 三维裂纹问题及应力强度因子的求解 17
2.2 有限元法及ANSYS优化程序简介 18
2.3 本章小结 21
第3章 弹性体表面裂纹的数值分析 22
3.1 计算模型 22
3.1.1 裂纹几何形状的基本假设 22
3.1.2 应力强度因子的计算方法 22
3.2 几何模型的选取 24
3.3 利用ANSYS建立有限元模型 25
3.4 数据处理分析及对比 26
3.4.1 数据分析 26
3.4.2 结果对比 28
3.5 本章小结 29
第4章 含半球形缺陷弹性体表面裂纹的三维模拟及数值分析 30
4.1 无限大体中含半球形缺陷表面裂纹问题 30
4.1.1 几何模型的选取 30
4.1.2 有限元模型的建立 32
4.1.3 数值分析及对比 35
4.1.4 应力强度因子的影响 36
4.2 有限大体中含半球形缺陷表面裂纹问题 39
4.2.1 模型选取及数值的对比 39
4.3 表面缺陷对应力强度因子的影响 42
4.4 裂纹体厚度对应力强度因子的影响 46
4.5 本章小结 47
结 论 48
致 谢 49
参 考 文 献 50
附录 1 52
附录 2 60
