文档介绍：第 36卷
第 3期航空计算技术 V 36 N o. 3
2006年 5月 A puting Techn ique M ay. 2006
三维裂纹应力强度因子的有限元计算分析
王
锋, 黄其青, 殷之平
(西北工业大学航空学院, 陕西西安 710072)
摘
要: 在大型有限元工程软件 AN SYS 中, 对于裂纹应力强度因子的二维计算已经有了比较完善的方
法[ 1] 。但在对三维裂纹的应力强度因子求解问题上目前所采用的方法主要是靠人工手动地生成节点, 然
后再生成单元和结构。这种方法工作量大, 不利于结构程序化, 特别是对复杂结构更为难以实现。本文
利用三维实体建立计算模型, 对模型进行独特的局部网格划分, 以孔边角裂纹为例阐述了在 ANSY S中,
三维裂纹应力强度因子计算分析的简捷方法。并将计算结果和现有理论结果进行对比分析, 其计算精确
程度完全满足工程要求[ 2] 。
关键词: 三维裂纹; 应力强度因子; 有限元计算
中图分类号: O242. 21
文献标识码: A
文章编号: 1671
654X ( 2006) 03
0125
03
引言
在断裂力学发展中, 如何求解结构裂纹尖端应力强
度因子一直是一个重要的课题。有限单元法由于能模拟
非常复杂的构件, 已经成为工程设计分析领域中一个强
有力的计算工具。作为有限单元法的工具, 大型工程软
件 ANSYS得到了较为广泛的应用。目前已有的应用 AN
SYS分析软件计算三维裂纹裂尖的应力强度因的方法为:
首先生成一个 8节点等参单元二维网格, 在这个网格里定
义开裂表面和裂纹前沿, 然后将其扩展成一个三维网格,
单元的扩展有 2种, 见图 1。一个非裂纹前沿单元扩展成
一个 20节点单元, 而一个裂纹前沿单元扩展成 6个 20节
点单元。围绕裂纹前沿, 网格呈放射形。最后组合成的图 1
三维裂纹块网格的形成
裂纹尖端网格具有图 1所示的结构。这种方法主要思路
是
自下而上
, 即由点到面、由面再到体。
1
计算模型
显然这种方法对于简单含裂纹结构裂尖的应力强度
计算模型如图 1 ( a )所示, 宽度为 W , 长度为 H,
因子计算是可行的, 然而对于含有裂纹的复杂结构来说,
厚度为 T 的三维正六面体。中心有直径为 2r 的孔, 孔
手动生成节点进一步生成模型并进行网格划分, 这需要
边一端表面有如图 1( b)所示的椭圆裂纹。结构一端
在建模的时候花费大量的时间, 并且随着结构的改变其
固支, 另一端施加拉伸载荷 F, 取 a = c。
相应改变的数据较多, 不易程序化。
下表中给出了文中计算模型的几何参数。
本文在分析和研究的基础上提出了
由上至下
的
实体建模的方法, 其具体思路是直接对体进行局部处理
模型几何参数列表
及网格划分, 在 ANSYS中实现了含裂纹复杂结构裂纹
参长度宽度厚度孔径
尖端应力强度因子的计算分析。文中以孔边角裂纹为数
模型 H /mm W /mm T /mm 2r/mm
例, 计算了孔边裂纹裂尖的应力强度因子, 并与现有理 A 100 100 6 6
论结果进行对比。其整体相对误差小于 3%, 证明