三维广布疲劳损伤扩展的多裂纹Sm-XFEM计算方法和试验研究

Widespread fatigue damage (WFD) has been one of the most representative damages styles in the aircraft structures, which has badly threatened the structures integrality of aircraft. This proposal comes from the WFD in the old aircraft. The objective of this project is to setup a platform to evaluate life concepts prior to expensive testing programs, and the global research focus is on developing efficient simulation tools, particularly using the Sm-XFEM (The Smoothed Extended Finite Element Method). Through numerical modeling with experimental testing, a better understanding of the propagation behavior of the WFD can be gained and thus lead to providing the theory and technique for the applications of the three-dimensional damage tolerance and durability.. The Sm-XFEM for arbitrary multiple cracks has been presented on the basis of our self-developed S-FEM (Smoothed Finite Element Method) and XFEM (Extended Finite Element Method) codes. The linear elastic fracture mechanics based on Sm-XFEM is proposed, and then a new automatic method for simulating crack propagation path is acquired by considering the characteristics of Sm-XFEM. Arbitrary crack propagation is simulated by using this method. Furthermore, the experiments about three-dimensional WFD propagation are investigated, in order to finding the mechanism of three-dimensional WFD propagation, coalescence and fracture. At the same time, the effect of the Sm-XFEM code on simulation the propagation of WFD will be validated by the corresponding WFD tests. Finally, the necessary conditions on the propagation of WFD are certificated for various geometry parameters, materials, location and shape ratios of cracks on the basis of the experiments and numerical simulation.

广布疲劳损伤是航空结构中的典型损伤形式，对飞机结构完整性构成严重威胁。本项目以飞机结构中存在的广布疲劳损伤问题为背景，拟建立一套较完整的以多裂纹Sm-XFEM计算为主、试验为辅的分析方法，研究多裂纹之间的扩展机理和扩展规律，为航空航天领域内复杂结构的耐久性/损伤容限设计提供理论基础与技术支撑。具体研究工作包括：在课题组针对S-FEM方法、XFEM方法研究和自编分析软件的基础上，开展任意多裂纹的二维和三维Sm-XFEM算法理论研究；开展基于Sm-XFEM的裂纹扩展方法研究，发展一种自动模拟三维广布损伤扩展路径的新方法，实现任意数目和曲面形状的三维广布疲劳损伤扩展仿真；开展三维广布疲劳损伤扩展试验研究，揭示三维广布损伤扩展、连通和破坏的机理，验证算法及其软件的有效性；基于试验和数值分析，研究几何、材料、裂纹位置和形貌等因素对多裂纹扩展的影响规律。

广布疲劳损伤是老龄飞机及许多工程结构中存在的一种典型的损伤形式。相对于单一裂纹，广布疲劳损伤由于裂纹之间存在的相互作用，导致结构的剩余强度明显降低，临界裂纹尺寸减小，裂纹扩展寿命显著缩短，其对结构造成的危害比单一裂纹要大得多。广布疲劳损伤危及到结构的完整性，严重地影响着结构的使用安全。本项目以飞机结构中存在的广布疲劳损伤问题为背景，建立了一套较完整的以多裂纹Sm-XFEM计算为主、试验为辅的分析方法，研究多裂纹之间的扩展机理和扩展规律。具体研究工作包括：（1）针对二维域内多裂纹问题，开展基于单元边界的光滑有限元法（ES-FEM）研究；开展基于单元边界的光滑有限元法和扩展有限元法（Sm-XFEM）耦合研究。（2）研究三维多裂纹Sm-XFEM方法及在多裂纹扩展分析中的应用，主要包括算法研究、平衡方程建立、程序设计及编写、算例研究及计算结果验证；基于三维Sm-XFEM方法，开展适用于任意路径的三维广布疲劳损伤自动扩展仿真技术的研究。（3）开展三维广布疲劳损伤扩展试验，通过对广布疲劳损伤萌生、扩展、连通及结构破坏的宏微观分析，开展三维广布疲劳损伤的三维裂纹扩展特性的相关性和连通准则研究。（4）开展基于双重误差控制（调整裂纹相对增长量、控制对应循环数增量误差，以及调整循环数增量、控制总寿命误差）的多裂纹扩展快速积分算法研究；通过考虑几何、材料、裂纹位置和形貌以及加载方式等因素，进行多裂纹相互影响的敏感度研究，定量的给出多裂纹扩展影响规律。通过本项目研究建立了适用于任意多裂纹的Sm-XFEM数值计算方法和基于Sm-XFEM的多裂纹扩展方法，实现了任意路径三维广布疲劳损伤自动扩展模拟，基本掌握了三维广布疲劳损伤扩展规律，形成了有效的分析评价手段，为航空航天领域内复杂结构和其它工程应用中的多裂纹扩展快速分析计算提供有效的理论基础和数值模拟工具。