S-version有限元法及三维复合型裂纹扩展研究

裂纹扩展仿真是损伤容限设计中进行裂纹扩展性能分析的重要途径。通过裂纹扩展仿真，可以分析裂纹扩展的路径和速率等行为，预测结构的剩余寿命和进行损伤容限评估等。本项目将从裂纹扩展的仿真方法和试验两个方面对三维复合型裂纹扩展进行研究。通过对S-version有限元法基本理论的研究，建立三维S-version有限元法线弹性断裂力学理论和基于S-version有限元法的三维虚拟裂纹扩展方法，开展三维复合型疲劳裂纹扩展试验，揭示三维裂纹扩展规律。结合S-version有限元法的特点，发展一种自动模拟三维复合型裂纹扩展路径的新方法，实现任意形状的三维疲劳裂纹扩展仿真，为实现复杂结构的三维损伤容限耐久性预测设计提供有力的理论和技术基础。

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。