基于XFEM的孔洞对裂纹扩展路径影响分析

涂文锋，赵士祥

(南昌大学资源环境与化工学院，江西 南昌 330031)

工程结构在制造过程中可能存在孔洞、夹杂等制造缺陷，此外基于机械紧固的需要，有时也要在机械构件上开孔洞，这些孔洞一定程度上会降低结构的承载能力，并对裂纹尖端的应力场产生扰动作用。在Ⅰ型加载条件下，处于扰动应力下的裂纹并不会沿垂直于Ⅰ型加载方向扩展，而是表现出复合型裂纹扩展的特性。准确的评估孔洞对于裂纹路径的影响，是机械结构可靠性研究的一个重要部分。

LUA等[1]使用混合边界积分的方法研究疲劳裂纹与孔洞、变形夹杂等微缺陷的弹性相互作用，采用包含复合型强度因子的富集单元表征动态裂纹尖端的奇异性以及孔隙夹杂等缺陷对裂纹尖端应力场的影响。Sukumar等[2]将数值方法与XFEM相结合，提出了一种无网格化的孔洞与材料夹杂的建模方法，对含孔洞、夹杂的疲劳裂纹扩展问题进行了研究。Shi等[3]采用了能动态更新裂纹前沿水平集数的快速计算方法，对近尖端塑性区历史状态变量进行有效积分，考虑裂纹闭合效应，实现了含孔洞的三维模型疲劳寿命预测。Ma等[4]通过开发的Abaqus子程序，考虑残余应力对裂纹扩展的影响，将残余应力的分布情况输入有限元模型中，对含有偏位孔的实验模型进行疲劳裂纹扩展路径模拟，验证了该程序的有效性，并评估最大切向应力准则预测裂纹偏离行为的准确性。Kumar等[5]采用虚拟节点扩展有限元法来模拟弯曲裂纹的扩展，用该方法实现了含孔洞平板试样裂纹扩展的模拟。……