S-version有限元法及三维复合型裂纹扩展研究

国内外对于三维复合型断裂问题的研究迄今还很不成熟，目前三维复合型裂纹的研究主要针对一些形状规则的贯穿裂纹和表面裂纹，对三维复合型裂纹的断裂行为研究甚少，不能满足工程实际的需要。本项目通过对S-version 有限元法基本理论的研究，建立了三维S-version 有限元法线弹性断裂力学理论，在传统的虚拟裂纹闭合法基础上提出了一种计算任意裂纹面形状的改进的三维虚拟裂纹闭合方法，同时提出一种基于S-version有限元法的虚拟裂纹闭合法，对结构三维断裂控制参数进行分析。对受远端拉伸载荷和弯曲载荷作用的有限大体表面裂纹进行分析，重点研究了裂纹尖端细化程度、局部网格区域尺寸变化和局部区域单元背景细分单元的数目对计算精度的影响，同时研究了裂纹尺寸变化对结构应力强度因子的影响。基于重合网格法的虚拟裂纹闭合法，计算分析了有限大体三维复合型裂纹应力强度因子，重点讨论了三维复合型裂纹倾斜角，裂纹形状变化和结构厚度变化对复合型应力强度因子的影响规律。设计和完成了表面裂纹拉伸试验和三点弯曲试验以及带倾斜裂纹的MCTS试验，通过试验初步掌握了三维裂纹扩展规律。结合S-version 有限元法的特点，发展了一种模拟三维裂纹扩展路径的新方法，对三维表面裂纹拉伸试验和三点弯曲试验以及MCTS试验进行裂纹扩展仿真，结果表明数值模拟的裂纹开裂及扩展特征与试样的裂纹开裂及扩展特征基本吻合。本项目的研究丰富了三维断裂的研究内容，为深入探讨三维复合型断裂问题做出了有益的贡献，并为解决实际工程中存在类似裂纹构件的损伤容限评估提供了参考依据。