V型缺口裂端的三维应力状态及约束分析

摘要

利用三维有限元方法,研究了有限厚度板中V型缺口根部穿透裂纹前沿的三维弹性应力场.对不同厚度、不同缺口张开角和裂纹长度对应力强度因子及裂尖附近的三维约束程度的影响进行了分析,同时还讨论了三维约束区的大小.研究结果显示:当缺口张开角小于60度时,不同缺口的应力强度因子和离面约束因子的分布基本一致,角度的影响不明显.应力强度因子是厚度的函数,板中面的应力强度因子随厚度的增加逐渐减小趋近于平面值,最大为1.08倍的平面值.当板厚超过15倍的缺口深度时,应力强度因子最大值将从中面转移至接近自由表面位置,距中面约0.4倍板厚.三维约束非常明显的区域在裂尖前沿约0.45倍厚度的范围内,二维到三维的过渡区在裂尖前沿1.5倍厚度的区域内;在中面上三维效应影响区最大,随着离中面距离的增加逐渐减小,在自由表面上降为0.