PDF《有限元含裂纹的梭形薄壁圆柱壳结构应力强度因子分析研究...》

第48 卷第5期西安建筑科技大学学报(自然科学版) Vol.

48 No.5

2016 年10 月J. Xi'

an Univ. of Arch. &

Tech. (Natural Science Edition) Oct.

2016 DOI: 10.15986/j.1006-7930.2016.05.012 含裂纹的梭形薄壁圆柱壳结构应力强度因子分析研究? 曹彩芹,王超,李诚诚 (西安建筑科技大学理学院,陕西 西安 710055) 收稿日期:2015-12-23 修改稿日期:2016-10-10 基金项目:教育部博士点基金项目(20060703003) 作者简介:曹彩芹(1971-),女,博士,副教授,主要从事板壳结构断裂力学研究.E-mail: [email protected] 摘要:应力强度因子是表征裂纹尖端应力场奇异强弱的物理量,对裂纹的扩展和构件失效具有一定的意义,针对梭形薄壁圆 柱壳结构断裂问题,基于J积分理论,采用有限元方法研究了含有环向裂纹的梭形薄壁圆柱壳结构在偏心受压下的断裂力学 响应,分析了荷载的大小、偏心度、裂纹长度、梭形结构的楔率对裂纹应力强度因子的影响,计算结果表明:裂纹长度、荷 载以及楔率对应力强度因子影响很大, 而且这些参数是相互影响的. 最后根据计算数据拟合出偏心受压梭形圆截面的应力强 度因子的计算公式,并和相关的计算结果进行了比较,证明了该公式的可行性. 关键词:梭形薄壁圆柱壳;

裂纹;

偏心受压;

应力强度因子;

计算公式 中图分类号: O346.1 文献标志码:A 文章编号:1006-7930(2016)05-0691-05 Study on stress intensity factors of thin-walled shuttle cylinder struc- ture with cracks CAO Caiqin, WANG Chao, LI Chengcheng ( School of Science, Xi'

an Univ. of Arch. &

Tech., Xi'

an 710055, China) Abstract: The stress intensity factor(SIF) is an important parameter which reflect the stress intensity at the tip of cracks. The study of SIF has a certain significance for crack extension and failure of structure . Based on J integration theory, fracture mechanical be- havior of eccentric compression thin-walled shuttle cylinder structure with cracks was studied using the finite element method. The influence of load, crack lengths, eccentricity and tapering ratio on the stress intensity factor was analyzed numerically. The numerical results show that the crack lengths, load and tapering ratio have significant effects on the stress intensity factors. Moreover, there are three factors, i.e. crack lengths, load and tapering ratio, which influence each other. The calculation formula of stress intensity factor of eccentrical compression thin-walled shuttle cylinder structure with cracks was proposed based on the numerical results. The results were compared with the relevant stress intensity factors calculated by others and the comparisons show the feasibility of the calcula- tion formula of stress intensity factor. Key words: thin walled shuttle cylinder structure;

crack;

eccentric compression;

stress intensity factor;

formula of stress intensity factor 梭形变截面受压薄壁圆壳结构具有重量轻、承 载能力高、良好的稳定性以及优美的建筑外观,在 现代工程结构中得到广泛的应用.然而,由于加工 工艺,焊接技术等限制,梭形薄壁圆柱壳结构往往 存在部分缺陷,裂纹缺陷被认为是对梭形薄壁圆柱 壳结构力学性能影响最大的一种缺陷,其断裂性能 近年以来深受国内外学者和工程技术人员关注.采 用解析法求解薄壳断裂问题往往比较困难,在这一 领域数值法体现出了它的优越性,CHEN[1] 采用有 限差分法研究了薄壁圆筒多裂纹扭转问题的弹性 数值解法,周利[2] 采用了面场分析近似方法研究了 箱形薄壁结构的应力强度因子,AN J H[3] 等采用 有限元法计算了环向贯穿裂纹的弹性应力强度因 子和裂纹张开位移,LEWIS[4] 等使用有限元法计 算了薄壁圆筒环向贯通裂纹的应力解,WYART[5] 等采用扩展有限元三维模型分析了薄壁结构裂纹 附近的应力强度因子,VARFOLOMEYEV[6] 等采用 边界元法计算轴对称荷载作用下薄壁圆筒内环向 裂纹附近的应力强度因子, 白杨[7] 采用有限元方法 研究含有环向内裂纹的薄壁钢管结构在纯弯曲状 态下的断裂力学响应,孙建刚等[8] 对于影响含裂纹 薄壁管道的应力强度因子的因素予以研究,分析长 度、裂纹角度、半径、壁厚对其的影响. 在以上的文献中,所研究的薄壁结构都是针对 圆截面或箱形截面,而针对近年在工程结构中大量 使用的梭形变截面薄壁圆柱壳结构的断裂力学行 为和应力强度因子的研究,目前研究文献很少. 本文利用有限元数值计算技术对偏心受压梭 形变截面薄壁柱结构存在环向裂纹时的断裂力学 问题进行的计算分析,基于J积分理论,利用了J积 分和应力强度因子关系,采用有限元方法得到了含 裂纹的梭形圆截面薄壁壳结构应力强度因子,分析