有限厚度板穿透裂纹前缘附近三维弹性应力场分析

摘要

通过三维有限元计算来研究有限宽度、有限厚度含有穿透裂纹板的裂纹前缘应力场 ,从中找出应力强度因子与板的厚度、裂纹长度之间的关系 ,同时还分析了裂尖的三维约束程度和三维约束区的大小。分析结果表明 :应力强度因子沿厚度的分布是不均匀的 ,应力强度因子的最大值及其位置与厚度有关 ;有限厚度板中面应力强度因子 (KI) m -p 及最大应力强度因子 (KI) max 均大于平面应力或平面应变的应力强度因子。对有限厚度裂纹问题 ,按平面应力或平面应变来考虑是不安全的 ;板中面的应力强度因子 (KI) m -p 及最大应力强度因子 (KI) max 是厚度B/a的函数 ;板的中面离面约束系数Tz 最大 ,自由面 (z=B)Tz =0。沿厚度方向裂尖附近的离面约束系数Tz 也是z/B和B/a的函数 ,随着厚度的增加离面约束系数Tz 增大 ,离中面越近离面约束系数Tz 越大。Tz 随着x的增大急剧减小 ,三维约束影响区域大小大约为板厚的一半 ,且裂纹长度a/W对应力强度因子沿厚度变化规律及Tz 影响区域大小影响较小。