【摘 要】
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板壳结构在航空航天、汽车、船舶、土木、化工等领域上的应用十分广泛,因此,高效和准确地计算损伤和破坏过程对提高结构安全性具有重要的意义。使用传统的有限元方法进行结构分析可以高效且准确地模拟材料变形情况,但其不能处理不连续断裂问题,而近场动力学(PD)理论采用空间积分的方式规避了有限元方法的不足,适用于模拟裂纹的萌生、扩展等现象。然而,PD方法效率低、计算复杂、占用内存大,为了更好地结合有限元方法与P
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板壳结构在航空航天、汽车、船舶、土木、化工等领域上的应用十分广泛,因此,高效和准确地计算损伤和破坏过程对提高结构安全性具有重要的意义。使用传统的有限元方法进行结构分析可以高效且准确地模拟材料变形情况,但其不能处理不连续断裂问题,而近场动力学(PD)理论采用空间积分的方式规避了有限元方法的不足,适用于模拟裂纹的萌生、扩展等现象。然而,PD方法效率低、计算复杂、占用内存大,为了更好地结合有限元方法与PD方法的优点,通常采取耦合的方式进行模型计算,在提高计算效率的同时可以更好地模拟不连续裂纹问题。本文在基于Kirchhoff假设的微梁键基PD板弯曲模型基础上进行研究,采用非连续伽辽金有限元法进行PD方程的求解,通过简化的耦合策略将PD模型与有限元模型进行耦合,建立了耦合的板弯曲模型,通过不同约束及载荷条件下的薄板算例进行了验证,主要内容如下:首先,阐述了PD微梁键模型的定义和微势能的表达式,在此基础上阐述了PD板弯曲模型的建立过程,给出了其中关键的PD微模量的表达式,为后面基于非连续伽辽金法建立PD板弯曲模型刚度阵奠定理论基础。同时,为后续进行板弯曲模型耦合研究做准备,给出了有限元板弯曲模型的刚度阵。接着,给出了非连续伽辽金有限元法求解PD板弯曲模型的公式推导以及程序实现过程。随后介绍了PD断裂准则,其中详细说明了能量断裂准则的判断依据、判断方法以及程序实现流程。综合以上各部分求解过程,提出本文的耦合策略,即通过设置PD模块与有限元模块的影响函数,给出总刚度阵表达形式,然后通过求解总刚方程获得最终模型变形结果。最后进行模型的验证,将薄板在不同约束及载荷作用下的弯曲变形情况与解析解或有限元仿真结果进行对比,验证所建立模型的准确性。同时分析了预置裂纹薄板的裂纹扩展路径,进一步证明了本研究对裂纹扩展分析的适用性。结果表明,采用非连续伽辽金有限元法可以提高PD板弯曲模型的计算精度,采用简化的耦合策略建立板弯曲耦合模型是可行的。
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