专利名称：：一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法
技术领域：
：本发明涉及一种结构安全性分析和评定领域，尤其是一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Km的分离以及它们沿裂纹前缘的分布的确定方法和计算机计算程序的设计方法。它用来在结构安全性评定过程中高精度和高效率地确定结构件中三维复合型裂纹前缘的应力强度因子K工、Kn和Km的分离以及它们沿裂纹前缘的分布。当应力强度因子K工、Kn和Km的分布确定以后，就可以确定裂纹在外载荷作用下的扩展方向，并且与材料的断裂韧性Kc进行比较，确定结构件的安全性；或者，可以根据K工、Kn和Km的变化范围，进行疲劳强度校核，确定疲劳寿命。本方法的实际执行效率，可以比现有的其它方法提高几十倍乃至上百倍；特别是对于冲击载荷的情况，利用现有的其它方法需要数周乃至数月才能完成的应力强度因子分离以及它们沿裂纹前缘的分布确定任务，利用本方法可以在数分钟至数小时时间内完成。
背景技术：
：通常的，通过计算机计算对结构件中裂纹前缘的应力强度因子分布进行确定，有两种方法。一种是弹性力学直接法，需要先对带裂纹的形体进行弹性力学计算，确定载荷作用下的位移场或应力场；然后根据求得的位移场或应力场，在裂纹前缘的各点处逐点进行应力强度因子K值的计算确定。具体计算确定方法有应力场奇异性法、裂纹面张开位移法和J积分法等。用J积分法来计算复合型裂纹前缘的应力强度因子时，需要进一步对K工、Kn和Kin进行分离。现有的K工、Kn和Km的分离方法有交互作用积分法和虚拟裂纹闭合法等。这些方法的缺点是效率低，特别是当载荷是随时间变化的变载荷时，需要对每一个时间点，都对带裂纹的形体进行弹性力学计算(比如，进行有限元法或边界元法计算)，确定该时刻载荷作用下的位移场或应力场；然后根据该时刻的位移场或应力场，再在裂纹前缘的各点处，通过取极限，求裂纹面张开位移或求J积分然后进行分离的方法，逐点地计算确定K工、Kn和Km的值。对工程问题，由于每次有限元法或边界元法计算的工作量都较大，所以总效率很低。第二种方法是基于叠加原理的应力权函数法，需要先对不带裂纹的形体进行弹性力学计算(比如，进行有限元法或边界元法计算)，确定载荷作用下的应力场；然后利用叠加原理，将所求得的应力的负值施加于裂纹面上；再根据预先已经计算好了的该裂纹体的裂纹面上的应力权函数，通过裂纹面上面力载荷与应力权函数的乘积的积分，来确定裂纹前缘的各点处的K值。执行该方法的文献，一般把该方法简称为权函数法。但实际上它只适用于裂纹面上有面力载荷作用的情况，对其它载荷(比如温度载荷或体积力载荷)不能进行计算确定。而且，传统的权函数法只能适用于单纯I型、单纯II型或单纯III型的裂纹问题，不能应用于I、II、III型复合的复合型裂纹问题的计算。因此，这些文献中所述的权函数法应该确切地被称为单一型裂纹问题的应力权函数法或面力权函数法，它与本专利申请中所述的可以同时考虑温度载荷、面力载荷和体积力载荷，并且适用于复合型裂纹问题的复合型裂纹问题通用权函数法不同。当载荷是随时间变化的变载荷时，传统的单一型7裂纹问题应力权函数法的效率也很低。因为也需要对不带裂纹的形体，反复地进行弹性力学计算(比如，进行有限元法或边界元法计算)，确定每一时刻载荷作用下的应力场，然后才能通过积分计算确定各点处该时刻的K值。通常的，传统的单一型裂纹问题应力权函数法只应用于几何形状比较简单(或可以作简化处理)的形体在单纯I型(或单纯II型，或单纯III型)载荷作用下的裂纹问题；使用时，一般需要先求出裂纹面上各点处的应力权函数的近似表达式以及对应的参考载荷应力强度因子值。而这一点，只对于形状比较简单的情形是做得到的，对于形体外形或裂纹几何比较复杂的情形，是很难做到的。对于几何形状比较复杂的情形，则需要使用有限单元近似法、刚度阵导数法和切片法等方法来确定权函数；然后，才能通过面力载荷与权函数的乘积的积分，来求K值。在这方面所使用的有限单元近似法、刚度阵导数法和切片法等方法，对于三维裂纹来说，只适合于求解直线型裂纹前缘的问题；对于曲线型裂纹前缘的问题(比如椭圆、半椭圆和部分椭圆型深埋裂纹或表面裂纹问题)，数学模拟结果就相当差；计算结果表明，精度比较低。而且，这些方法对于比较简单的载荷情况，即应力强度因子沿裂纹前缘的分布变化比较平缓的情况，尚可以得到较为满意的结果；但是，对于比较复杂的载荷情况，即应力强度因子沿裂纹前缘的分布变化比较剧烈的情况，误差就很大，精度很低，效果很差。为了解决以上这些方法中普遍存在的计算效率低，以及单一型裂纹问题应力权函数法中存在的不适用于温度载荷和体积力载荷、对于曲线型裂纹前缘问题，数学模拟效果差，精度低等问题，本专利申请人在发明专利"一种结构件裂纹前缘应力强度因子分布的确定方法"(专利号ZL200610050685.6)中提出了一种称为有限变分法的技术方法，用来高精度和高效率地确定单一型裂纹前缘的应力强度因子的分布。但是，该专利所涉及的方法只能用来确定裂纹在单纯I型(或单纯II型，或单纯III型)载荷作用下，裂纹前缘的K工(或Kn，或Km)的分布，不能用来确定裂纹在I型、II型和III型复合的复杂载荷作用情况下裂纹前缘的VKn和Kin的分布。现有技术存在的缺点是(1)弹性力学直接法中的应力场奇异性法和裂纹面张开位移法求应力强度因子K值的效率低；(2)弹性力学直接法中的J积分法加上交互作用积分法来进行应力强度因子分离计算的效率低；(3)弹性力学直接法中的J积分法加上虚拟裂纹闭合法来进行应力强度因子分离计算的效率低、计算精度低；(4)通常所用的基于叠加原理的应力权函数法只适用于单纯I型(或单纯II型，或单纯III型)载荷作用下的裂纹问题，不适用于I型、II型和III型复合的复合型裂纹问题；(5)基于叠加原理的应力权函数法对于随时间变化的变载荷情况，计算效率低，而且不适用于温度载荷和体积力载荷；(6)通常所用的应力权函数法中的有限单元近似法、刚度阵导数法和切片法等方法，对于曲线型裂纹前缘问题，数学模拟效果差，精度低；(7)通常所用的应力权函数法中的有限单元近似法、刚度阵导数法和切片法等方法，对于应力强度因子沿裂纹前缘的分布变化比较剧烈的情况，计算误差大，精度低；(8)在基于叠加原理的应力权函数法使用过程中，用来作为参考载荷的相应参考载荷应力强度因子必须是预先知道的，这是一个先决的限制条件；(9)专利技术ZL200610050685.6中所用的技术只适用于单纯I型(或单纯II型，或单纯III型)载荷作用下的裂纹问题，不能用来求解裂纹在I型、11型和III型复合的复杂载荷作用情况下裂纹前缘的K工、Kn和Km的分离以及它们沿裂纹前缘的分布计算等。8
发明内容为了克服已有的结构件裂纹前缘应力强度因子分布的确定方法的计算效率低，数学模拟效果差、精度低，以及不适用于裂纹在I型、II型和III型复合的复杂载荷作用情况下裂纹前缘的K工、Kn和Kin的分离以及它们沿裂纹前缘的分布计算等的不足，本发明提供一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，高精度和高效率地进行曲线型三维裂纹前缘的应力强度因子K工、Kn和Km的分离以及确定它们沿裂纹前缘的分布；且计算效率高、数学模拟效果好、精度高。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是—种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，包括以下步骤1)、给出结构件所承受的热载荷、表面力载荷和体积力载荷，以及在所述三种载荷单独作用或共同作用下的以变分型积分方程形式表示的三维I、II、III型复合的复合型裂纹问题通用权函数法基本方程(复杂问题变分型积分方程)，如式(1):=￡t(a).《.U(。^Z-U(a).《t("JS+f(a)'《V,(i)+《￡、:、"(a)@(a)《.U(r)'11必-f',、V("(a)0(a)).《U(,ll—2i/w'》1—2v(r)c其中，变分符号S。(...)表示物理量(...)关于裂纹位置的一阶偏变分；即当只五有裂纹位置发生改变，而其它都不改变时，相应物理量(...)的一阶变分；u(ri、tw和Id<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>分别是某-III型应力强度因子分布函数；U(a)、t(a)、f(a)、")和K工、Kn^、&个任意的参考载荷(r)作用时的位移函数、边界面力函数和I、II、(a)分别是所需要求解的载荷(a)作用时的边界位移函数、边界面力函数、体积力函数、温度分布函数和沿裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子分布函数；E、v、H和a分别是材料的弹性模量、泊松比、等效弹性常数和热膨胀系数，r是裂纹前缘，s是沿裂纹前缘的弧长；Et、Eu、E和V分别是面力已知边界、位移已知边界、形体边界和形体体积；n为外法向矢量；2)、用N个节点，将裂纹前缘分割为任意N-1个子段，在每一个节点j处引入一个基本插值型函数Nj(s)和一个局部变分函数N'j(s)，它们都满足条件式(2):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>3)、选择3种相互独立的基本参考载荷巧、r2和iv它们的I、II、III型参考载荷应力强度因子沿裂纹前缘的分布函数分别为K,"、Id,力和Km(rt);将未知的应力强度因子K/气Kn(a)、Km(a)沿裂纹前缘的分布函数表示为式(3)和式(4):《)=甲附.4"),^uni(3)(4)It中，f),m=I，11，111，分别是基本参考载荷ri、r2和r3所对应的I、11和111to)某个适当的近似函型参考载荷应力强度因子沿裂纹前缘的分布函数K,1)、Kn(r2)和K数；4)、在整个裂纹前缘引入一个宏观的基本变分模式5。°，如式(5):—.=^0)如(5)其中，S。a是某个特征裂纹长度a的变分，它是S。asQ的度量，g(s)是一个无因次扩展函数；5)、在N个节点处引入N个局部变分模式，如式(6):=1，2，A^.==A^O风"，j=1，2，'，N(6)方程组，其中，mir，其中，N'j(S)为局部变分函数；6)、分别对于上述3种基本参考载荷巧、r2和r3，以及N个局部变分模式S。asj，j"，N，列出3N个方程，并计算方程两端的积分，得到关于3N个待定系数Ami的线性I，II，III，i=1，2，…，N，式(7):+《■"五wl一2v《."《■"1—2v(r)j=l，2，…，N，r二ivr2，r3(7)7)、将方程组(7)改写为等效的矩阵方程形式，然后利用计算机的线性方程组求解程序求解关于3N个未知系数Ami的方程组(7)，然后代入式(4)和式(3)，就可以得到外载荷作用下裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K/"、Kn，Kra(a)以及它们沿裂纹前缘的分布情况的数值解。作为优选的一种方案在所述步骤7)中，将方程组(7)重新改写为等效的矩阵方程形式I，如式(8):CA=I(8)或、ITnnj一乂sj,1+++2巧NCJ'11Cf111A"I",,CfC，Cf11A":1"，,(8，)Cf'1Cf'"C『n」[Am,Jl;(ASj),其中，待求的未知数向量A的子向量Am,i，如式(9)所示Am,i=[A"A迈,2…A迈,N]T，m=I，II，III(9)式(8)左端的系数矩阵C的子矩阵Ci/'m中的系数Ci/'如式(10)所示C,r《7^T聰k)'C")g(械m二I，II，r=ri，r2，r3，i，j=1，2，r，一f、2(1+《)賜『0:物(械m=m，r=r2，r3，i，j=1，2，…，N(10)子矩阵&/』分别对应于参考载荷r=ri，r2，r3和裂纹模式m=I，II，III情况下式(7)左端的一个子项；共有9块子矩阵，它们通常都是窄带宽对角型子矩阵；式(8)右端的I向量的子向量I(r，ASj)，r二巧，ivr3对应于式(7)右端的外载荷与相应参考载荷r=ri，r2，r3在虚拟裂纹扩展模式^=^下的权函数[^"],^的乘积的积分；其中的系数值I(r，ASj)，如式(11)所示/(r，AS,)=ft*")AHfu*(a)f必+ff*(a)《u(+=r2，r3，j=《fl1，2，'，N(11)方程组(7)式或者(8)式共有3N个方程，3N个未知待定系数；求解关于未知系数Ami的线性方程组(7)式或者(8)式；然后代入式(4)和式(3)，就可以得到外载荷作用下裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K,、Kn(a)、Kinw以及它们沿裂纹前缘的分布情况的数值解。或者是在所述步骤7)中，将方程组(7)重新改写为等效的矩阵方程形式II，如式(12):DB=J(12)或N2，…，Dr'mDr'mDDahiV2"awJ(r，AS,)J(r，AS2)J(r,ASw)(12，)其中，待求的未知数向量B的子向量Bm,i，如式(13)所示B迈,i=[A"An,iAm,i]T，i=1，2，…，N(13)式(12)左端的系数矩阵D的子矩阵Di/'m中的系数Di/'如式(14)所示《2-C械m=I，II，r1，2，=r2(1+《)nt)《(a)N)W;(s)g(械m=III，r(14)r,，r。1，子矩阵Di/'m分别对应于虚拟裂纹扩展模式A^;《""j=1，2，…，N下参考载荷r=巧，r2，r3对裂纹模式m=I，II，III的第i个分量B"的贡献；共有NXN块子矩阵，每块都是3X3矩阵；总系数矩阵D是窄带宽块状对称矩阵；式(12)右端的J向量的子向量J(r，ASj)，j=1，2，…，N对应于式(7)右端的外载荷与相应参考载荷r=巧，r2，r3在虚拟裂纹扩展模式^=j^下的权函数[^"]^的乘积的积分；其中的系数值J(r，ASj)，如式(15)所示JO,AS,):+《TMln&v(a(a)@*(a))i"i，r2，r3，j1，2，…，N2一(15)方程组(7)式或者(12)式共有3N个方程，3N个未知待定系数；求解关于未知系数Ami的线性方程组(7)式或者(12)式；然后代入式(4)和式(3)，就可以得到外载荷作用下裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K/w、Knw、Kn/a)以及它们沿裂纹前缘的分布情况的数值解。作为优选的一种方案，所述确定方法还包括8)、利用步骤1)至步骤7)的自身一致性，即对于基本参考载荷巧、^和r3自身来说方程组(7)也成立这样一个自身封闭的条件，来求解基本参考载荷巧、r2和r3单独作用情况下裂纹前缘的参考载荷应力强度因子分布函数K,1)、Id,2)和Km(r3)的具有很高精度12的或者说对应于相应的结构有限元离散化模型来说是最合理最精确的数值解。办法是，将步骤l)至步骤7)中的外载荷(a)分别取为步骤3)中选定的基本参考载荷^、^和r3单独作用的情况，并记为外载荷(ai)、(a2)和(a3);然后由参考载荷应力强度因子K,D、Kn^和Kn,3)的某组初步近似估计值开始，先通过步骤l)至步骤7)计算出对应于外载荷(a》、(a2)和(a3)，即参考载荷巧、r2和r3单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km(al)、Km(a2)和Km(3)，m=I，II，III;然后利用下式(16)求得新的参考载荷应力强度因子分布函数K,"、Kn(r2)和Km的的更精确的近似估计值(K,")new、(Kn的)鹏和(Km)咖W)广(《))腳(16)(《)广9)、反复执行上述步骤3)至步骤7)以及步骤8)，形成一个迭代过程，得到参考载荷应力强度因子K,"、Kn(动和Kn,3)的近似估计值的一个序列(K,")旨、(Kn(动)鹏和(Kmto))n以及对应的外载荷(a》、(a2)和(a3)单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km(a"、Km(a2)和K^3)的计算值的一个序列，其中HI=I，II，III;根据迭代过程中首轮近似估计值的精确程度，经过若干轮的迭代计算，序列(K,1))，、(Kn(r勺旨和(Km(,^就可以收敛于一组稳定的值，该收敛值(C(Kn(动)加w和(Kn,3))1^以及对应的Km(a"、lC必和Km(a3)，m=I，II，III的计算值就是参考载荷应力强度因子分布函数K,D、Kn(r2)和KIn(r3)以及Km(al)、Km(a2)和Km(a3)，m=I，II，III的具有很高精度的或者说对应于相应的结构有限元离散化模型来说是最合理最精确的数值解。进一步，所述确定方法还包括10)、将步骤9)中所求得的新的参考载荷应力强度因子K,"、Kn(r2)和Kmto)的具有很高精度的或者说对应于相应的结构有限元离散化模型来说是最合理最精确的数值解、相应的权函数^"，r二ivr2，r3以及其它的热载荷、表面力载荷和体积力载荷直接代入式《fl(7)，仅通过外载荷与权函数的乘积的简单积分计算和重新求解方程组，不需要再进行麻烦的有限元分析计算，就可以以极高的计算效率，求得其它任意的热载荷、表面力载荷和体积力载荷(a)作用情况下的裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K，'、KnW、Kn，以及它们沿裂纹前缘的分布情况的具有相当高精度的数值解。作为优选的再一种方案，所述确定方法还包括11)、直接选取待求的复杂载荷工况作为步骤3)中的3种相互独立的基本参考载荷巧、^和r3中的一种或多种参考载荷，然后执行步骤l)至步骤7)，并执行步骤8)至步骤9)的迭代计算，获得K,"、Kn(r2)和Km的的近似估计值的一个序列(K,")鹏、(Kn(动)加w和(Kmto))n以及对应的外载荷(a》、(a》和(a》，即包括待求解的复杂载荷工况在内的参考载荷巧、r2和r3单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km(al)、Km(a2)和Km(a3)，m=I，II，III的计算值的一个序列；由序列(C(Kn(动)鹏和(Km(,new的收敛值以及对应的1031)、1(,2)和Km^，m二I，II，III的计算值，获得待求的复杂载荷作用情况下I、11、111型应力强度因子K工、Kn和Kin的分离以及K工、Kn和Km沿裂纹前缘分布函数的具有很高精度的精确的数值解。这个数值解对于所求解的复杂载荷工况以及所用到的具体结构有限元离散化模型来说将被认为是最合理的和最精确的数值解。这一种执行方法具有计算精度特别高的特点。或者是所述确定方法还包括12)、在前期计算阶段，先任意地选取3种相互独立的载荷作用情况作为步骤3)中的3种基本参考载荷巧、^和iv然后执行步骤l)至步骤7)，并执行步骤8)至步骤9)的迭代计算，获得K,"、Kn(动和Km(")的近似估计值的一个序列(K,")n:(Kn(动)咖和(Kmto))n以及对应的外载荷(a》、(a2)和(a3)单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km(a"、Km(a2)和1^3)，111=I，II，III的计算值的一个序列；由序列(K,")1^(Kn(动)加w和(KInto))n的收敛值以及对应的Km(a"、Km(a2)和K3)，HI=I，II，III的计算值，获得参考载荷应力强度因子K,"、Kn(r2)和Km(r3)沿裂纹前缘分布函数的具有很高精度的精确的数值解；然后，在后期计算阶段，再将待求的复杂载荷(a)作用到形体上，并利用上面已经确定的K,"、Kn'r2)和Km")的具有很高精度的精确解以及相应的权函数^~，r=I^IV^《a代入，执行步骤(10)，仅通过载荷与权函数的乘积的积分和重新求解方程组的方法，来高效率地求得复杂载荷(a)作用情况下I、II、III型应力强度因子K，、Kn(a)、Kin(a)的分离值以及它们沿裂纹前缘分布函数的具有相当高精度的精确的数值解。这一种执行方法具有计算效率特别高而又具有较高精度的特点。再进一步，所述的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(s)取为相同的函数；也可以取为不同的函数。更进一步，所述的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(s)，取为线性模式的一次函数，需要N个分点。或者是，所述的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(s)，取为高次模式的二次或二次以上(L次)函数，需要N=LM+1个分点，M为正整数。本发明的工作原理是一种利用有限个特殊的局部变分模式和特殊的插值方式，来近似地求解热载荷、表面力载荷和体积力载荷单独作用或共同作用情况下的三维I、II、III型复合的复合型裂纹问题通用权函数法基本方程(含有变分的积分方程，称为复杂问题变分型积分方程)的全新型数值确定方法，我们称之为复杂问题有限变分法；用来高精度、高效率地求解热载荷、表面力载荷和体积力载荷单独作用或共同作用情况下三维i、n、III复合型裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Kin的分离问题，并确定它们沿裂纹前缘的分布函数K，)、Kn(a)和Km(a)的数值解。技术方案要点是，建立热载荷、表面力载荷和体积力载荷单独作用或共同作用情况下的三维I、II、III复合型裂纹问题通用权函数法基本方程(复杂问题变分型积分方程)；将宏观的变分域分割为有限个子变分域；同时基于该离散分割，构造特殊的基本插值型函数和特殊的局部变分函数；然后，利用这些基本插值型函数对待求变量(热载荷、表面力载荷和体积力载荷单独作用或共同作用情况下三维I、II、III复合型裂纹前缘应力强度因子沿裂纹前缘的分布函数K，)、Kn(a)和Km(a))进行离散化插值处理；同时，引入定义在整个宏观变分域上的基本变分模式，并利用局部变分函数构造和产生有限个局部变分模式；再选择3种相互独立的基本参考载荷r=巧，iviv对这样产生的有限个(N个)局部变分模式ASj，(j=1，2，…，N)，对基本方程(复杂问题变分型积分方程)进行积分计算，形成含有3N个未知量和3N个方程的一个独特的具有较好计算性能的线性方程组；为了求解此方程组，接下来将方程组改写为等效的矩阵形式I或形式II(式(8)或式(12))，再利用计算机用线性方程组求解程序求解此方程组；求解此线性方程组，求得3N个待定的未知量，然后代入前面引入的K/a)、Kn(a)和Km(a)的离散插值表达式，求得K，'、KnW和Kn，；这样，就实现了K，'、KnW和Kn，'的分离，并确定了待求变量K，、Kn(a)和Km(a)沿宏观变分域(裂纹前缘)的分布。此外，利用上述方法的自身一致性，可以建立起一个收敛的迭代过程，利用迭代的方法直接求得任意参考载荷(热载荷、表面力载荷或体积力载荷)作用情况下的三维I、II、III型应力强度因子沿裂纹前缘分布函数K,)、KnW和Km(r)的最合理最精确的数值解。因此，利用本方法的自身一致性，可以直接使用应力强度因子解尚为未知的任意的参考载荷r=巧，r2，iv来实施本方法中的所有计算，从而避免了通常的应力权函数法中关于参考载荷应力强度因子必须预先知道的先决条件限制。将上面所求得的参考载荷应力强度因子分布函数K,1)、Kn(r2)和Kmto)的最合理最精确的数值解再次代入前面形成的方程组，就可以高精度、高效率地确定其它任意的热载荷、表面力载荷和体积力载荷(a)作用情况下的裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K/气Kn(a)、Km(a)以及它们沿裂纹前缘的分布情况的数值解。当应力强度因子K工、Kn和Km的分布确定以后，就可以确定裂纹在外载荷作用下的扩展方向，并且与材料的断裂韧性Kc进行比较，确定结构件的安全性；或者，可以根据K工、Kn和Km的变化范围，进行疲劳强度校核，确定疲劳寿命。本方法的实际执行效率，可以比现有的其它方法提高几十倍乃至上百倍；特别是对于冲击载荷的情况，利用现有的其它方法需要数周乃至数月才能完成的应力强度因子分离以及它们沿裂纹前缘的分布确定任务，利用本方法可以在数分钟至数小时时间内完成。相对于现有技术，本发明的有益效果主要表现在(1)、给出了含有裂纹的复杂形体在复杂载荷(可以包括热载荷、表面力载荷和体积力载荷及其组合)作用下，裂纹前缘的复合型应力强度因子K工、Kn和Km的一种新型的高效和高精度的分离计算确定方法，以及K工、Kn和Kin沿裂纹前缘分布函数的数值解的高效和高精度的计算确定方法。具体执行办法有两种选择。第一种选择是执行步骤ll)，这种执行方法具有极高的计算精度。第二种选择是执行步骤12)，这种执行方法具有极高的计算效率和很高的计算精度。(2)、本方法不仅适用于单纯I型、单纯II型或单纯III型的简单的裂纹问题，更可以适用于I型、II型和III型复合的复杂的复合型裂纹问题，用来求解复合型裂纹前缘的应力强度因子K工、Kn和Km的分离以及它们沿裂纹前缘的分布函数的数值解。(3)、在本方法的执行过程中，任意一种应力强度因子解尚为未知的复杂载荷(可以包括热载荷、表面力载荷和体积力载荷及其组合)都可以被选择用来作为计算过程中的基本参考载荷，也就是说，通常的基于叠加原理的应力权函数法中关于参考载荷应力强度因子必须预先知道的先决限制条件，在本方法中可以不受这样的先决条件限制，参考载荷可以根据计算需要来任意地选择。比如，当需要的计算精度要求特别高时，可以按照前面所述的第一种执行方法来选择参考载荷；当需要的计算效率要求特别高时，可以按照前面所述的第二种执行方法来选择参考载荷。(4)、具有很高的计算精度。因为根据本方法所得到的线性方程组具有良好的数值计算性能。比如，当选取的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(s)均取为一次线性函数时，矩阵方程形式I中的总系数矩阵C由6块具有强对角优势的三对角对称子矩阵CJ'm组成；或者，矩阵方程形式II中的总系数矩阵D是具有强对角优势的半带宽为6的窄带系数矩阵，且对角元通常为大数。当选取的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(s)均取为二次函数时，矩阵方程形式I中的总系数矩阵C由6块具有强对角优势的五对角对称子矩阵Ci/'m组成；或者，矩阵方程形式II中的总系数矩阵D是具有强对角优势的半带宽为9的窄带系数矩阵，且对角元通常也为大数。因此由于参考载荷应力强度因子分布函数K,"、Kn(动和Kn,3)估计不准所产生的局部误差以及基本方程在局部点处(比如裂纹前缘与形体表面的交点处)不能够严格地成立所产生的局部误差只会对相邻的几个点处的计算结果产生影响，不会对较远的点处的计算结果产生影响，即局部误差不会被扩展到远处去。(5)、对于载荷随时间变化的问题，比如对于热冲击、表面力冲击或体积力冲击载荷的情况，或对于其它的应力强度因子K工、Kn和Km分布随时间变化的情况，具有极高的确定效率。对于这些情况，可以免除以往的直接弹性力学法或基于叠加原理的应力权函数法中所必须进行的反复多次的应力场分析或位移场分析计算，直接利用载荷与通用权函数的乘积的积分来确定整个裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Km的分布随时间的变化，大大简化确定过程，大大提高效率。复杂问题有限变分法的实际执行效率，可以比现有的其它方法提高几十倍乃至上百倍；特别是对于冲击载荷的情况，利用现有的其它方法需要数周乃至数月才能完成的应力强度因子分离和分布确定任务，利用本方法可以在数分钟至数小时时间内完成。(6)、对于某一个具体的问题，可以引进无穷多个线性无关的局部变分模式和基本插值型函数。因此，对于应力强度因子沿裂纹前缘急剧变化的复杂情况，本方法具有很好的数值模拟能力和很高的精度。我们可以根据具体问题的具体情况以及精度的具体要求，对宏观变分域进行合理的分割；在应力强度因子变化剧烈的地方，分割点可以密一些；在应力强度因子变化比较平缓的地方，分割点可以稀疏一些；除了线性模式的函数以外，在精度要求比较高的地方，还可以引入二次或更高次数模式的基本插值型函数和局部变分函数。这样，就可以根据具体问题的具体情况，灵活地调整具体计算格式，从而达到更高的精度。(7)、本方法不仅适用于裂纹面上的表面力载荷，而且适用于温度载荷、非裂纹面面力载荷和体积力载荷的情况。对于所有这些载荷，都可以利用基本方程，通过载荷与通用权函数的乘积的积分来直接确定应力强度因子的分布。(8)、本方法不受几何条件复杂性的限制。对于形体外形或裂纹几何比较复杂的情形，不需要求出权函数的解析表达式或近似表达式，可以直接利用有限元法或边界元法的位移场解，来计算数值解形式的通用权函数；然后，利用基本方程，通过载荷与通用权函数的乘积的积分来直接进行应力强度因子K工、Kn和Km的分离和它们沿裂纹前缘的分布情况的确定计算。(9)、对于曲线型裂纹前缘的三维裂纹问题(比如椭圆、半椭圆和部分椭圆型深埋裂纹或表面裂纹问题)，具有很好的数值模拟和求解能力，可以得到很高的精度。图1表示一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法的流16程。图2表示一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法的第一种执行方法(高精度执行模式)流程。图3表示一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法的第二种执行方法(高效率执行模式)流程。图4表示基本变分模式SAQ和局部变分模式S。asj(以线性模式为例)及相互之间的关系。其中，crackfront表示裂纹前缘。图5表示局部变分函数和基本插值型函数Nj(s)(线性模式)的构造方法。图6表示局部变分函数和基本插值型函数Nj(s)(二次模式)的构造方法。图7表示局部变分函数和基本插值型函数Nj(s)(L次模式，以3次模式为例)的构造方法。图8表示实施例2的两端Z向固定平板中半椭圆表面裂纹在裂纹面力作用下裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Kin分离及其分布确定的第一种执行方法(高精度执行模式)确定结果。其中的图例说明中，KI表示K工，KII表示Kn，Kill表示Km，rl表示裂纹面压力作用的情况，r2表示沿X方向作用裂纹面剪力作用的情况，r3表示沿Y方向作用裂纹面剪力作用的情况，FVM表示用本发明的方法即复杂问题有限变分法的计算结果，COD表示用裂纹面张开位移法的计算结果，J表示用J-积分法的计算结果，K表示用交互作用积分法进行K值分离的计算结果；semi-ellipticalsurfacecrackinaplatefixedattwoendsalongZdirection表示沿Z方向两端固定的平板中半椭圆表面裂纹，a表示半椭圆表面裂纹的深度，T表示板的厚度，c表示半椭圆表面裂纹的长度。图9表示实施例3的两端Z向固定平板中半椭圆表面裂纹在板表面压力和温度载荷作用下裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Kin分离及其分布确定的第二种执行方法(高效率执行模式)确定结果。其中的图例说明中，KI表示K工，KII表示Kn，KIII表示Km，p4表示整个板的前表面作用均布压力的情况，p5表示板的上下左右四个象限的前表面分别作用交错的均布压力的情况，P6表示只在板的上半部的前表面作用均布压力的情况，p7表示整个板作用均匀温度下降的热载荷作用的情况，FVM表示用本发明的方法即复杂问题有限变分法的计算结果，COD表示用裂纹面张开位移法的计算结果；semi-ellipticalsurfacecrackinaplatefixedattwoendsalongZdirection表不沿Z方向两端固定的平板中半椭圆表面裂纹，a表示半椭圆表面裂纹的深度，T表示板的厚度，c表示半椭圆表面裂纹的长度。图10表示实施例4的两端Z向固定平板中半椭圆表面裂纹在板的部分表面同时作用热冲击和压力冲击(承压热冲击)的情况下，裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Km分布随时间变化的时间历程的确定结果。其中，M表示与应力强度因子K对应的无因次的应力强度因子放大系数，图10(a)表示K工分布随时间变化的时间历程的确定结果，图10(b)表示Kn分布随时间变化的时间历程的确定结果，图10(c)表示Km分布随时间变化的时间历禾呈的石角定结果；semi-ellipticalsurfacecrackinaplatefixedattwoendsalongZdirection表示沿Z方向两端固定的平板中半椭圆表面裂纹，a表示半椭圆表面裂纹的深度，T表示板的厚度，c表示半椭圆表面裂纹的长度，pressurizedthermalshockonpatialoftheplatesurface表示部分板表面经受承压热冲击。具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。实施例1参照图1、图4、图5、图6、图7，一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，该方法主要包括以下步骤(参见附图1):1)、给出结构件所承受的热载荷、表面力载荷和体积力载荷，以及在所述三种载荷单独作用或共同作用下的以变分型积分方程形式表示的三维I、II、III型复合的复合型裂纹问题通用权函数法基本方程(复杂问题变分型积分方程)，如式(1)所示；2)、用N个节点，将裂纹前缘分割为任意N-1个子段，在每一个节点j处引入一个基本插值型函数Nj(S)和一个局部变分函数N'j(S)，它们都满足条件式(2);3)、选择3种相互独立的基本参考载荷巧、r2和iv它们的I、II、III型参考载荷应力强度因子沿裂纹前缘的分布函数分别为K,"、Kn(r2)和Km(r3)。将未知的应力强度因子K/气Kn(a)、Km(a)沿裂纹前缘的分布函数表示为式(3)和式(4)。其中，不失一般性，A^""，m=Ln，m可以取为常数1或者是其它的不全为0的适当的分布函数；4)、在整个裂纹前缘引入一个宏观的基本变分模式S。a』，如式(5)。其中，S。a是某个特征裂纹长度a的变分，它是S。as°的度量，g(s)是一个无因次扩展函数；5)、在N个节点处引入N个局部变分模式，如式(6)。其中，N'j(s)为局部变分函数；6)、分别对于上述3种基本参考载荷ri、r2和r3，以及N个局部变分模式S。asj，列出3N个方程，并计算方程两端的积分，得到关于3N个待定系数Ami，m二I，II，III，i=1，2，…，N的线性方程组，如式(7);7)、为了求解方程组式(7)，可以将它重新改写为等效的矩阵方程形式I，如式(8)，其中的系数如式(9)、式(10)和式(11)所示(或者将它重新改写为等效的矩阵方程形式II，如式(12)，其中的系数如式(13)、式(14)和式(15)所示)；方程组(7)式或者(8)式或者(12)式共有3N个方程，3N个未知待定系数。求解关于未知系数Ami的线性方程组，然后代入式(4)和式(3)，就可以得到外载荷作用下裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K，)、Kn(a)、Kin(a)以及它们沿裂纹前缘的分布情况的数值解。8)、利用本方法的自身一致性，即式(1)对于参考载荷本身也成立这样一个条件，可以直接利用根据步骤1)至步骤7)所编制的程序，来求解基本参考载荷巧、r2和r3单独作用情况下裂纹前缘的参考载荷应力强度因子分布函数K,"、Kn(r2)和Km")的具有很高精度的精确的数值解。办法是，将步骤l)至步骤7)中的外载荷(a)分别取为步骤3)中选定的基本参考载荷巧、r2和r3单独作用的情况，并记为外载荷(ai)、(a2)和(a3)。然后由参考载荷应力强度因子K,1)、Kn(r2)和Kinto)的某组初步近似估计值开始(首轮近似估计值可以任意设定)，先通过步骤1)至步骤7)计算出对应于外载荷(ai)、(a2)和(a3)(即参考载荷r^2和r3)单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km(a"、Km(a2)和K^3)，HI=I，II，III，然后利用式(16)求得新的参考载荷应力强度因子分布函数K,1)、Kn(r2)和Kmto)的更精确的近似估计值(K,")加\(Kn(r2))new禾口(KnI)鹏；9)、反复执行上述步骤3)至步骤7)以及步骤8)，形成一个迭代过程，就可以得到参考载荷应力强度因子K,"、Kn(r2)和Kn,3)的近似估计值的一个序列(C(Kn(r2))new和(Krato))n以及对应的外载荷(a》、(a2)和(a3)(即参考载荷ri、r2和r3)单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km""."32)和K^3),HI=I，II，III的计算值的一个序列。根据迭代过程中首轮近似估计值的精确程度，经过若干轮(一般只需要1轮、2轮或3轮左右)的迭代计算，序列(C(Kn(r2))nelP(Km(,鹏就收敛于一组稳定的值。该收敛值(K,")new、(Kn(r2))加w禾P(KnI("))鹏以及对应的K^"、K迈"2)和K迈"3)，HI=I，II，III的计算值就是参考载荷应力强度因子分布函数K,"、Kn6^和Kn"以及K"、lC必和K"，m=I，II，III的具有很高精度的精确的数值解。10)、将在步骤9)中所求得的新的参考载荷应力强度因子K,"、Kn(r2)和Kmto)的精确数值解、相应的权函数^~一，r=巧，r2，r3以及热载荷、表面力载荷和体积力载荷直接代入式(7)，重新求解方程组，可以进一步求得其它任意的热载荷、表面力载荷和体积力载荷(a)作用情况下的裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K，)、Kn(a)、Kin(a)以及它们沿裂纹前缘的分布情况的数值解。对于二次及二次以上的局部变分函数和基本插值型函数Nj(s)的构造，节点总数需满足相应次数的要求，比如对于二次，N为奇数2M+1;对于L次，N为LM+1;其中M为正整数。实施例2参照图1、图2、图4、图5、图6、图7、图8，根据实施例1所述的结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，对两端Z向固定平板中半椭圆表面裂纹在3种裂纹面力作用下裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Km分离及其分布，按照图2所示的第一种执行方法(高精度执行模式)进行了确定。图8表示深度比a/T=0.5，形态比a/c=0.5的半椭圆表面裂纹，在上下裂纹面均布压力、X方向裂纹面均布剪力和Y方向裂纹面均布剪力等三种载荷作用情况下，裂纹前缘的应力强度因子K工、Kn和Kin的分离结果以及它们沿裂纹前缘的分布情况。其中，M为无因次应力强度因子，小为裂纹前缘的位置(参数角)。记号中，后缀—FVM表示使用本方法的确定结果，其余后缀表示使用不同的其它程序和其它方法进行计算所得到的一部分计算结果比较好的确定结果。除了裂纹与形体自由表面的交点处及附近以外，本方法的确定结果与其它计算结果比较好的确定结果之间的误差小于1%。实施例3参照图1、图3、图4、图5、图6、图7、图9，根据实施例1所述的结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，对两端Z向固定平板中半椭圆表面裂纹在几种板表面压力及温度载荷作用下裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Km分离及其分布，按照图3所示的第二种执行方法(高效率执行模式)进行了确定。图9表示深度比a/T二0.5，形态比a/c=0.5的半椭圆表面裂纹，在板前表面均布压力、板前表面交错均布压力、上半部板表面均布压力和全板均匀温度下降等四种载荷作用情况下，裂纹前缘的应力强度因子K工、Kn和Kin的分离结果以及它们沿裂纹前缘的分布情况。其中，使用例2中的3种载荷作为参考载荷，并利用例2所确定的参考载荷应力强度因子的具有很高精度的精确值来实施本19次的高效率执行模式的计算工作。M为无因次应力强度因子，小为裂纹前缘的位置(参数角)。记号中，后缀_FVM表示本方法的确定结果，后缀_C0D表示使用裂纹面张开位移法进行计算的确定结果。除了裂纹与形体自由表面的交点处及附近以外，本方法的确定结果与裂纹面张开位移法的确定结果之间的误差小于1.9%。实施例4参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图10(a)、图10(b)、图10(c)，根据实施例1所述的结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，对两端Z向固定平板中半椭圆表面裂纹在部分板表面(板的上半部l/4表面)经受热冲击和压力冲击的联合作用情况下，整个裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Kin的分布随时间变化的时间历程，进行了确定。图IO表示深度比a/T=0.5，形态比a/c=0.5的半椭圆表面裂纹，在部分板表面(板的上半部1/4表面)经受热冲击和压力冲击的联合作用情况下，整个裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Km的分布随时间变化的时间历程，其中，图10(a)表示K工的分布随时间变化的时间历程，图10(b)表示Kn的分布随时间变化的时间历程，图10(c)表示Km的分布随时间变化的时间历程。其中，使用例2中的3种载荷作为参考载荷，并利用例2所确定的参考载荷应力强度因子的具有很高精度的精确值来实施本次的高效率执行模式的计算工作。M工、Mn和Mm分别为I、II和III型的无因次应力强度因子，小为裂纹前缘的位置(参数角)，t为时间。对冲击过程中的60个时间点的裂纹前缘应力强度因子K工、Kn和Km的分布进行了确定。如果利用现有的弹性力学直接法或应力权函数法或交互作用积分法来确定的话，分别需要进行60次有限元分析计算和60次应力强度因子计算。但利用本发明的技术进行确定，则总共只需进行1次通用权函数及参考载荷应力强度因子计算和1次冲击载荷情况下的应力强度因子积分计算，总效率提高了几十倍；而且，精度也比前面的方法要来得高。如果进一步，需要进行10种冲击条件下的结构安全性评定，则利用现有的弹性力学直接法或应力权函数法或交互作用积分法来确定裂纹前缘应力强度因子的分布的话，分别需要进行600次有限元分析计算和600次应力强度因子计算；计算工作量大得在工程上难以承受。但利用本发明的技术进行确定，则总共只需进行1次通用权函数及参考载荷应力强度因子计算和10次冲击载荷情况下的应力强度因子积分计算，可以在很短的时间内完成，总计算效率更高。由于本问题用现有的其它方法来进行确定所需的计算工作量太大，尚未见到其它人有对此问题进行如此详细的确定结果的文献报道。权利要求一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于所述确定方法包括以下步骤1)、给出结构件所承受的热载荷、表面力载荷和体积力载荷，以及在所述三种载荷单独作用或共同作用下的以变分型积分方程形式表示的三维I、II、III型复合的复合型裂纹问题通用权函数法基本方程，即复杂问题变分型积分方程，如式(1)其中，变分符号δc(...)表示物理量(...)关于裂纹位置的一阶偏变分；即当只有裂纹位置发生改变，而其它都不改变时，相应物理量(...)的一阶变分；u(r)、t(r)和KI(r)、KII(r)、KIII(r)分别是某一个任意的参考载荷(r)作用时的位移函数、边界面力函数和I、II、III型应力强度因子分布函数；u(a)、t(a)、f(a)、Θ(a)和KI(a)、KII(a)、KIII(a)分别是所需要求解的载荷(a)作用时的边界位移函数、边界面力函数、体积力函数、温度分布函数和沿裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子分布函数；E、v、H和α分别是材料的弹性模量、泊松比、等效弹性常数和热膨胀系数；Γ是裂纹前缘，s是沿裂纹前缘的弧长；∑t、∑u、∑和V分别是面力已知边界、位移已知边界、形体边界和形体体积；n为外法向矢量；2)、用N个节点，将裂纹前缘分割为任意N-1个子段，在每一个节点j处引入一个基本插值型函数Nj(s)和一个局部变分函数N′j(s)，它们都满足条件式(2)<mrow><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>s</mi><mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>&delta;</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>&NotEqual;</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>(2)<mrow><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>3)、选择3种相互独立的基本参考载荷r1、r2和r3，它们的I、II、III型参考载荷应力强度因子沿裂纹前缘的分布函数分别为KI(r1)、KII(r2)和KIII(r3)；将未知的应力强度因子KI(a)、KII(a)、KIII(a)沿裂纹前缘的分布函数表示为式(3)和式(4)<mrow><msubsup><mi>K</mi><mi>m</mi><mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>&Psi;</mi><mi>m</mi></msub><mo>&CenterDot;</mo><msubsup><mi>K</mi><mi>m</mi><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>r</mi><mi>m</mi><mn>0</mn></msubsup><mo>)</mo></mrow></msubsup><mo>,</mo></mrow>m＝I，II，III(3)<mrow><msub><mi>&Psi;</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>A</mi><mi>mi</mi></msub><msub><mi>N</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>m＝I，II，III(4)其中，m＝I，II，III，分别是基本参考载荷r1、r2和r3所对应的I、II和III型参考载荷应力强度因子沿裂纹前缘的分布函数KI(r1)、KII(r2)和KIII(r3)的某个基本分布函数；4)、在整个裂纹前缘引入一个宏观的基本变分模式δcas0，如式(5)<mrow><msub><mi>&delta;</mi><mi>c</mi></msub><msubsup><mi>a</mi><mi>s</mi><mn>0</mn></msubsup><mo>=</mo><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><mo>&CenterDot;</mo><msub><mi>&delta;</mi><mi>c</mi></msub><mi>a</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中，δca是某个特征裂纹长度a的变分，它是δcas0的度量，g(s)是一个无因次扩展函数；5)、在N个节点处引入N个局部变分模式，如式(6)<mrow><mi>&Delta;</mi><msub><mi>S</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>&delta;</mi><mi>c</mi></msub><msubsup><mi>a</mi><mi>s</mi><mi>j</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><msup><mi>N</mi><mo>&prime;</mo></msup><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>&delta;</mi><mi>c</mi></msub><msubsup><mi>a</mi><mi>s</mi><mn>0</mn></msubsup><mo>,</mo></mrow>j＝1，2，…，N(6)其中，N′j(s)为局部变分函数；6)、分别对于上述3种基本参考载荷r1、r2和r3，以及N个局部变分模式δcasj，列出3N个方程，并计算方程两端的积分，得到关于3N个待定系数Ami的线性方程组，其中，m＝I，II，III，i＝1，2，…，N，式(7)j＝1，2，…，N，r＝r1，r2，r3(7)7)、将方程组(7)改写为等效的矩阵方程形式，然后利用计算机的线性方程组求解程序求解关于3N个未知系数Ami的方程组(7)，然后代入式(4)和式(3)，就可以得到外载荷作用下裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值KI(a)、KII(a)、KIII(a)以及它们沿裂纹前缘的分布情况的数值解。FSA00000031445800011.tif,FSA00000031445800012.tif,FSA00000031445800013.tif,FSA00000031445800023.tif,FSA00000031445800026.tif,FSA00000031445800027.tif2.如权利要求1所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于在所述步骤7)中，将方程组(7)重新改写为等效的矩阵方程形式I，如式(8):CA=I(8)或(8，)其中，待求的未知数向量A的子向量Am,i，如式(9)所示A迈,i=[AmaA迈,2…A迈,N]T，m=I，II，III(9)式(8)左端的系数矩阵C的子矩阵Ci/'m中的系数Ci/'m，如式(10)所示·2.,,.......—-....._______<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>子矩阵&/』分别对应于参考载荷r=ri，r2，r3和裂纹模式m=I，II，III情况下式(7)左端的一个子项；式(8)右端的I向量的子向量I(r，ASj)，r=巧，r2，r3对应于式(7)右端的外载荷与相应参考载荷r=巧，ivr3在虚拟裂纹扩展模式A^=&《下的权函数:^"]^^的乘积的积分；其中的系数值I(r，ASj)，如式(11)所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>方程组(7)式或者(8)式共有3N个方程，3N个未知待定系数；求解关于未知系数Ami的线性方程组(7)式或者(8)式；然后代入式(4)和式(3)。3.如权利要求1所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于在所述步骤7)中，将方程组(7)重新改写为等效的矩阵方程形式II，如式(12):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，待求的未知数向量B的子向量Bm,i，如式(13)所示B迈,i=[AuAn,iAm,i]T，i=1，2，…，N(13)式(12)左端的系数矩阵D的子矩阵Di/'m中的系数Di/'m，如式(14)所示:a:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>子矩阵Di/'m分别对应于虚拟裂纹扩展模式A^=《"f，j=1，2，…，N下参考载荷r=巧，r2，r3对裂纹模式m=I，II，III的第i个分量Bm,t的贡献；共有NXN块子矩阵，每块都是3X3矩阵；总系数矩阵D是窄带宽块状对称矩阵；式(12)右端的J向量的子向量J(r，ASj)，j=1，2，…，N对应于式(7)右端的外载荷与相应参考载荷r=巧，r2，r3在虚拟裂纹扩展模式^=<5^下的权函数[^~]4。/的乘积的积分；其中的系数值，如式(15)所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(15)方程组(7)式或者(12)式共有3N个方程，3N个未知待定系数；求解关于未知系数Ami的线性方程组(7)式或者(12)式；然后代入式(4)和式(3)。4.如权利要求l-3之一所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于所述确定方法还包括8)、将步骤1)至步骤7)中的外载荷(a)分别取为步骤3)中选定的基本参考载荷巧、1~2和1~3单独作用的情况，并记为外载荷(a》、(a2)和(a3);然后由参考载荷应力强度因子K,1)、Knte)和Kinto)的某组初步近似估计值开始，先通过步骤1)至步骤7)计算出对应于外载荷(ai)、(a2)和(a3)，即参考载荷巧、r2和r3单独作用情况下的I、II、III型应力强度I，II，III，然后利用下式(16)求得新的参考载荷应力强度因m子分布函数K,"、Kn的和Km(a的更精确的近似估计值0C")鹏、OC切)new和(Km^)(r2)(r3)(r2)、new(r3)、(16)9)、反复执行上述步骤3)至步骤7)以及步骤8)，形成--水4迭代过程，得到参考载荷应力强度因子K/r"、Kn^和Kn,"的近似估计值的一个序列(K工W))，、(Kn^)旨禾P0^,")MW以及对应的外载荷(a》、(a2)和(a3)单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子lCa"、Km(a2)和Km(a3)的计算值的一个序列，其中HI=I，II，III;根据迭代过程中首轮近似估计值的精确程度，经过若干轮的迭代计算，序列(K,1))，、(Kn(r力)旨和(Km(r"，就收敛于一组稳定的值，该收敛值(K,")new、(Kn(动)new和(KIn的)鹏以及对应的Kffl、Kffl(必和K^3)，Hl=I，II，III的计算值就是参考载荷应力强度因子分布函数K,"、Kn^和Km的以及Km""、Km(a2)和Km(a3)，m=I，II，III的具有很高精度的或者说对应于相应的结构有限元离散化模型来说是最合理最精确的数值解。5.如权利要求4所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于所述确定方法还包括10)、直接选取待求的复杂载荷工况作为步骤3)中的3种相互独立的基本参考载荷巧、1~2和1~3中的一种或多种参考载荷，然后执行步骤1)至步骤7)，并执行步骤8)至步骤9)的迭代计算，获得K,"、Kn(动和Km(")的近似估计值的一个序列(K,")n:(Kn(动)咖和(Kmto))n以及对应的外载荷(a》、(a》和(a》，即包括待求解的复杂载荷工况在内的参考载荷巧、r2和r3单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km(al)、Km(a2)和Km(a3)，m=I，II，III的计算值的一个序列；由序列(C(Kn(动)鹏和(Km(,new的收敛值以及对应的1031)、1(,2)和Km^，m二I，II，III的计算值，获得待求的复杂载荷作用情况下I、11、111型应力强度因子K工、Kn和Kin的分离以及K工、Kn和Km沿裂纹前缘分布函数的具有很高精度的精确的数值解。6.如权利要求5所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于所述确定方法还包括11)、在前期计算阶段，先任意选取3种相互独立的载荷作用情况作为步骤3)中的3种基本参考载荷巧、^和iv然后执行步骤l)至步骤7)，并执行步骤8)至步骤9)的迭代计算，获得K,"、Kn(r2)和Km("的近似估计值的一个序列(K,")鹏、(Kn(r2))nelP(Km的)咖以及对应的外载荷(a》、(a2)和(a3)单独作用情况下的I、II、III型应力强度因子Km(al)、Km(a2)和Km(a3)，m=I，II，III的计算值的一个序列；由序列(K」n))加w、(K(动)鹏和(Kra(K3))M的收敛值以及对应的Km(a"、Km(a2)和K^),!!!=I，II，III的计算值，获得参考载荷应力强度因子K,1)、Id,2)和Km")沿裂纹前缘分布函数的具有很高精度的精确的数值解；然后，在后期计算阶段，再将待求的热载荷、表面力载荷和体积力载荷等复杂外载荷(a)作用到形体上，并利用上面已经确定的K,"、Kn(r2)和Kmto)的具有很高精度的精确解以及相应的权函数，"=1，"2，"3代入，仅通过外载荷与权函数的乘积的简单积分计算和重新求解方程组，不需要再进行麻烦的有限元分析计算，就可以以极高的计算效率，求得其它任意的热载荷、表面力载荷和体积力载荷(a)作用情况下的裂纹前缘的I、II、III型应力强度因子的分离值K产)、Kn(a)、Km(a)以及它们沿裂纹前缘的分布情况的具有相当高精度的数值解。7.如权利要求l-3之一所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于所述的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(s)取为相同的函数或不同的函数。8.如权利要求l-3之一所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于所述的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(S)，取为线性模式的一次函数，有N个分点。9.如权利要求l-3之一所述的一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，其特征在于所述的基本插值型函数Ni(s)和局部变分函数N'j(S)，取为高次模式的二次或二次以上函数，需要N=LM+1个分点，L为函数的次数，M为正整数。全文摘要一种结构件复合型裂纹前缘应力强度因子分离和分布的确定方法，先给出结构件所承受的热载荷、表面力载荷和体积力载荷，以及在它们单独或共同作用下的三维I、II、III复合型裂纹问题通用权函数法基本方程，用N个节点，将裂纹前缘分割为任意N-1个子段，在每一个节点j处引入一个基本插值型函数Nj(s)和一个局部变分函数N′j(s)，构造出有限个局部变分模式和插值方式，然后引入3种基本参考载荷来求解基本方程，确定复合型应力强度因子KI、KII和KIII的分离以及分布情况的数值解。利用自身一致性，通过构造一个迭代过程，可以求得三维裂纹前缘复合型应力强度因子KI、KII和KIII分布的具有很高精度的精确解。文档编号G01N3/08GK101788425SQ201010108668公开日2010年7月28日申请日期2010年2月9日优先权日2010年2月9日发明者卢炎麟申请人:浙江工业大学