三維緊湊拉伸剪切試樣裂紋應力強度因子的有限元分析

【摘要】通過相互作用積分法計算緊湊拉伸剪切試樣的應力強度因子。研究應力強度因子KI和KII沿試樣厚度的分布，以及應力強度因子KI和KII受加載角度變化的影響。計算結果表明：采用相互作用積分法計算應力強度因子時，應力強度因子KI隨著CTS試樣厚度的增加先逐漸增加在逐漸減小，應力強度因子KII隨著CTS試樣厚度的增加先減小，然后保持穩定，在增加。隨著加載角度的增加，應力強度因子KI不斷的增加，應力強度因子KII不斷的減小。

【關鍵詞】應力強度因子；相互作用積分法；加載角度

引言

在斷裂力學中用應力強度因子（SIF）不僅考慮了裂紋尖端應力的奇異性，又描寫了應力和缺陷幾何之間的關系，是評價斷裂破壞和裂紋擴展進程的重要指標[1-2]，同時該參數的引用消除了由裂紋引起的應力奇異性所帶來的數學計算上的困難。常用測試應力強度因子的方法有：解析法、實驗法和數值法。數值法由于不受幾何構造或載荷情況的影響，能模擬構件，并能達到實際工程的精度要求，因而成為斷裂力學研究的主要方法。

相互作用積分法的原理

采用相互作用積分法[3]計算三維SIF時，需要利用輔助場來進行分離KI、KII。輔助場是一種人為設定的應力和應變場，目的是在相互作用積分法中分離出KI、KII，從而分別求得I型和II型SIF。

如圖1所示，過裂紋前沿s點且在垂直于裂紋前沿線的平面（ξ1-ξ2）內取一個包圍s的回路，記為Γ（s），該回路的單位外法向向量為nj。根據Rice[4]的研究，裂紋前沿s點外……