基于XFEM的应力强度因子和疲劳裂纹扩展分析

发布时间：2017-07-08 21:20

  本文关键词：基于XFEM的应力强度因子和疲劳裂纹扩展分析

  更多相关文章： XFEM 裂纹扩展 有限元分析 三维偏心斜裂纹 一级传动斜齿轮 应力强度因子 裂纹扩展路径

【摘要】：迄今国内外对于三维斜裂纹的疲劳裂纹扩展问题研究有很多成熟的方法,本文主要介绍了扩展有限元基本理论以及对其进行改进,同时总结了疲劳裂纹扩展的基本理论,并在ABAQUS软件中对具有三维斜裂纹的无限大板以及一级传动斜齿轮进行数值分析,深入研究了三维斜裂纹扩展路径的变化以及应力强度因子的影响因素,主要研究工作和成果如下:1.在扩展有限元基本理论的基础上,针对三维裂纹扩展的变化情况提出了XFEM的改进方案。在修改方案中,采用了预设虚拟裂纹的方法来判断裂尖单元,在外载荷作用下,当裂纹在扩展过程中,只要裂尖处应力达到开裂准则,裂纹便开始扩展,在裂纹扩展过程中,裂尖的物理特性和几何特性随之改变。为了准确地跟踪裂纹的扩展,需要对各单元节点水平集进行更新,其中最简便的方法是只需对局部区域进行更新即可。2.对应力强度因子进行不同方法的求解,同时比较几种方法的优缺点,最终得到改进的XFEM对于三维斜裂纹应力强度因子的求解是最佳方法。同时分析了斜裂纹倾斜角度对应力强度因子的影响。3.对长方形板45°偏心斜裂纹进行扩展仿真,得出裂纹扩展路径随载荷步变化的应力应变图。在裂纹扩展过程中,由于裂纹的存在,影响了模型的整体应力分布,裂纹尖端处于应力集中状态,应力值在裂纹尖端处最大,在远离裂纹尖端处逐渐减小,裂纹面由于是自由边,所以此处应力值最小,本文得出的这个预测结果和文献中的结果以及理论进行了比较。结果表明,本文得出的结果符合理论要求。4.偏心距离影响三维裂纹扩展路径以及裂纹开裂角。可以观察出偏心斜裂纹扩展路径是沿左右两边扩展,在扩展过程中裂纹基本是沿直线扩展,当斜裂纹没有偏心时,裂纹尖端左右两端的开裂角是一样的,随着斜裂纹向左偏移,裂纹的开裂角慢慢减小,且左开裂角比右开裂角大,本文这些结论都是符合最大周向应力理论。5.对一级传动斜齿轮进行扩展仿真。得出裂纹倾斜角度影响斜齿轮齿根处裂纹扩展路径、裂纹尖端等效应力分布以及斜齿轮裂纹尖端等效位移。
【关键词】：XFEM 裂纹扩展 有限元分析 三维偏心斜裂纹 一级传动斜齿轮 应力强度因子 裂纹扩展路径
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH114
【目录】：

• 摘要7-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 课题背景及研究的意义13-14
• 1.2 扩展有限元方法的国内外研究现状14-15
• 1.2.1 扩展有限元方法在国外的历史与发展14
• 1.2.2 扩展有限元方法在国内的历史与发展14-15
• 1.3 疲劳裂纹扩展的研究15-17
• 1.4 XFEM模拟裂纹扩展的研究17-18
• 1.5 课题研究目的及其主要内容18
• 1.5.1 课题研究目的18
• 1.5.2 课题研究内容18
• 1.6 本章小结18-19
• 第2章 XFEM基本理论及其改进19-35
• 2.1 引言19
• 2.2 常规有限元特征19-21
• 2.3 单位分解法21-22
• 2.4 水平集方法22-24
• 2.5 扩展有限元法（XFEM）24-30
• 2.5.1 数值积分24-25
• 2.5.2 位移模式25-27
• 2.5.3 控制方程及边界条件27
• 2.5.4 离散方程的建立27-30
• 2.6 XFEM改进方案30-33
• 2.6.1 虚拟裂纹的引入31-32
• 2.6.2 非连续位移场32-33
• 2.6.3 控制方程33
• 2.7 本章小结33-35
• 第3章 改进XFEM的应力强度因子计算35-51
• 3.1 引言35
• 3.2 XFEM改进法在裂纹中的应用35-40
• 3.2.1 张开型裂纹应用36-37
• 3.2.2 滑移型裂纹应用37-38
• 3.2.3 撕开型裂纹应用38-39
• 3.2.4 混合型裂纹应用39-40
• 3.3 应力强度因子40-41
• 3.4 应力强度因子的计算方法41-43
• 3.4.1 单元应力的外推法41-42
• 3.4.2 等效积分区域法42-43
• 3.5 应力强度因子的数值算例43-50
• 3.5.1 基于单元应力外推法计算应力强度因子43-46
• 3.5.2 等效积分区域法计算应力强度因子46-47
• 3.5.3 基于改进XFEM计算应力强度因子47-48
• 3.5.4 裂纹倾角对应力强度因子的影响48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第4章 改进XFEM的裂纹扩展分析51-71
• 4.1 引言51
• 4.2 改进XFEM的裂纹扩展51-52
• 4.3 基于改进的XFEM疲劳裂纹扩展分析52-70
• 4.3.1 45°偏心斜裂纹扩展仿真52-62
• 4.3.2 三维边裂纹扩展仿真62-64
• 4.3.3 单边裂纹和孔洞的扩展仿真64-67
• 4.3.4 斜齿轮裂纹扩展仿真67-70
• 4.4 本章小结70-71
• 第5章 结论与展望71-73
• 5.1 工作总结71-72
• 5.2 课题展望72-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-78
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘杭;李强;吴宝双;;基于XFEM法的拉壳钩裂纹扩展分析研究[J];火炮发射与控制学报;2015年02期

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3 余天堂;;模拟三维裂纹问题的扩展有限元法[J];岩土力学;2010年10期

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本文编号：536362