基于近场动力学方法的船体结构裂纹扩展研究

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板和加筋板作为船舶与海洋结构物中最常用的结构,具有较强的刚度和抗裂能力,平板通常被用于船体底板、甲板、外板、弦侧等位置,加筋板通常被应用于船体双层底结构,在服役过程中,板和加筋板会产生细小裂纹,当遭遇到恶劣环境,裂纹会迅速扩展,使结构断裂,这会严重威胁船体结构安全,因此,研究板和加筋板的裂纹扩展,对船体的安全可靠性,以及及时对裂纹进行修补有很大的意义。针对局部理论处理非连续问题时,其数学架构会失效的缺点,本文使用近场动力学这种新方法对船体多裂纹板开展静态、准静态损伤以及动态损伤研究,对加筋板开展动态裂纹扩展研究。构建了基于近场动力学方法的单裂纹板模型,结合单元应力外推法,对含中心贯穿裂纹以及单边贯穿裂纹板的裂纹尖端应力强度因子系数进行求解,然后与理论解进行对比,验证单裂纹板模型程序以及键断裂程序的正确性,既而将其应用到多裂纹板,对不等长双裂纹板的应力强度因子进行计算。对近场动力学准静态问题求解采用自适应动力松弛法,编写准静态加载程序,对含圆孔板以及非共线多裂纹板进行准静态拉伸变形破坏分析,模拟得到非共线裂纹扩展路径与文献实验结果对比验证了准静态加载程序的正确性。用近场动力学模拟的Kalthoff-Winkler实验裂纹扩展路径与文献实验图对比验证动态加载程序的正确性。研究不同载荷速率裂纹板破坏形式的影响;构建平行双裂纹板近场动力学模型,分析裂纹间距以及细小裂纹的布置方式对多裂纹板板结构破坏形式的影响;改变裂纹角度,构建交叉型裂纹板模型,改变两条裂纹长度比值,研究其对结构破坏形式的影响。构建受拉伸载荷的含贯穿裂纹的船体双筋加筋板模型,研究加强筋的间距、加强筋刚度比、初始裂纹长度对加筋板结构破坏形式的影响,有效地预测出加筋板带板及加强筋上裂纹停止扩展的位置,得到加筋板结构的裂纹扩展距离与时间关系曲线。
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