首先介绍了传统有限元法及扩展有限元法在疲劳裂纹扩展数值模拟方面的基本理论,详细阐述了扩展有限元法中单位分解法、位移控制方程和水平集法的基本原理;进而结合国内外疲劳裂纹扩展的数值模拟研究现状,分析了扩展有限元法用于计算疲劳裂纹扩展问题的可行性和优势;最后以可实现不同领域、不同尺度疲劳裂纹扩展分析为目标,展望了今后的研究重点和发展方向。

基于扩展有限元法,对不同保护气体条件的双相不锈钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为进行了数值模拟研究。结合疲劳试验,对比了焊接接头疲劳寿命及破坏发生位置,探究了焊接接头中裂纹尖端应力场演变规律、裂纹扩展路径及速率。结果表明,大熔深TIG焊接头疲劳寿命优于传统TIG焊接头,模拟所得寿命与试验值基本吻合。TIG焊接头中裂纹在厚度方向贯穿后,扩展速率迅速增加,快速到达失稳阶段,发生疲劳破坏;大熔深TIG焊接头中裂纹在厚度方向穿透前、后的扩展速率均较传统TIG焊慢,故其抗疲劳性能较好。