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基于修正变分原理,采用满足控制微分方程的应力和位移Hybrid Trefftz函数,满足裂纹单元裂纹性质的特殊Trefftz函数,推导出Hybrid Trefftz有限元法反平面裂纹问题公式,给出应力集中因子解析表达式;同时,给出三个边裂纹反平面裂纹问题一个算例,探讨特殊Trefftz函数个数、破裂单元个数以及高斯点数对结果的影响。最后,将计算结果与一般有限元算法或其他计算方法结果进行对比,分析了HT有限元法的精确性和高效性。
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第
39
卷第
5
期
2008
年
9
月
太原理工大学学报
JOURNAL
OF
TAIYUAN
UNIVERSITY
OF
TECHNOLOGY
Vo
l.
39
No.5
Sep.
2008
文章编号
:1007-9432(2008)05-0533-01
Hybrid
Trefftz
有限元法
皿型裂纹问题研究
李盛春
(山西省大同市城建委,山西大同
037006)
摘
要:基于修正变分原理,采用满足控制微分方程的应力和位移
Hybrid
Trefftz
函数,满足
裂纹单元,裂纹性质的特殊
Trefftz
函数,推导出
Hybrid
Trefftz
有限元法反平面裂纹问题公式,给
出应力集中因子解析表达式;同时,给出三个边裂纹反平面裂纹问题一个算例,探讨特殊
Trefftz
函
数个数、破裂单元个数以及高斯点数对结果的影响。最后,将计算结果与一般有限元算法或其他计
算方法结果进行对比,分析了
HT
有限元法的精确性和高效性。
关键词:数值计算;l
ll
型裂纹;
Hybrid
Trefftz
有限元法;应力强度因子
中固分类号
:TU12
文献标识码
:A
近十年来.
Hybrid
Trefftz
(
HT)
[l
J
有限元法
(FEM)
解决裂纹问题的优越性已经表现出来。
Sabino.
Portela
与
Castro[2
1
采用
Trefftz
边界元法
分析了平面裂纹问题;
Freitas
和
J
i
[3]依据
HT
平衡
单元模型也得到了平面问题的解
Portela
与
Charafi[4]
用该边界元法计算了二维势能问题内部
和边界孔洞的复合裂纹问题。至今,应用棍合
HT
有限元解决反平面裂纹问题的很少,因此笔者试对
该问题进行一些有意义的探讨,推导了
HTFEM
反
平面裂纹问题的基本方程;根据变分原理推导单元
短阵;推导反平面裂纹问题应力集中因子显性表达
式;给出一个反平面裂纹算例;最后依据算例结果,
分析
HT
有限元法的特点。
1
反平面弹性裂纹问题基本公式
各向同性弹性体反平面裂纹问题平行于
xy
平
面的位移
u=v=O.
z
方向位移
W=W(x.y)
手
0
,仅
是
z
与
y
的函数。因此,反平面裂纹问题的控制微
分方程在域内。为
I
d
2
守们
d
2
川、
Gr:
号+丁二;;::\=
o.
(1)
飞
dX-
uy-
J
边界条件为
W=W
在边界几上)
•
G
穹=马(在边界孔上)
式中
:r=r
即+凡是域。的边界
;dW/dn
为
W
的法
向导数
;G
为剪切模量
W
和
q
是边界上已知值。
这里的非零应力分量是
~
dW
~
dW
σlr
-::;-- ,
σlr-;:
一一
-
dX'
-<Y
-
dy
若采用分离变量法,
Laplace
方程(1)的解可以
表示成三角函数级数解的形式(
Zielinski
和
Zienk
iewici
5
勺,对有界域
w(r
,
的=
~
r
m
(amcos(
m8)
+ b
m
sin(
m8));
(2)
m=O
对无界域
w(r
,
的
=
ao*
+
aolnr
十
时
n
FO
+
d
o
a
r
m2
(3)
m=l
因此,方程
(2)
和方程
(3)
Trefftz
(T)函数完备解系
可写为
T=
{l,
rmcos(
m8),
rmsin(
m8)}
=
{T
i
} ,
(4)
T =
(l, lnr
,
r-mcos(m
的,
r-
m
sin(
m8)}
=
{T;}.
(5)
构造含裂纹面单元的特殊
Trefftz
函数须同时
满足方程(1)和破裂面自由力边界条件。二维
La
place
方程通解是
w(r
,
8)
=
ao
+
~
(a
n
卢十
bnr
λ")cos(λ
n8)
+
收稿日期:
2007-12-20
基金项目:国家
973
科技攻关基金资助项目
(2007CD71400)
作者简介:李盛春
0968
一)
.男,北京市人,高级工程师,主要从事建筑物抗震性能研究.
(TeD
0352-
2040702
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weixin_38627521
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