基于Peridynamics理论数值计算方法的优化研究

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Peridynamics理论(近场动力学,PD理论)是近年来美国Silling教授提出的研究固体力学的一门分子动理学理论,它基于非局部积分原理,避免了传统力学方法在求解变形时微分的不连续和尖端奇异性,改用积分的方法来求解材料的破坏变形,在材料的可靠性研究方面具有一定优势。可以看出,数值方法在PD理论的数值实现方面具有很重要的作用。然而以往的数值方法基于精度和效率的考虑具有一定局限性,本文着重对PD理论的数值方法做出优化,并验证其可行性。本文首先对PD理论的基本理论做出简要介绍,引出PD理论在求解破坏变形时最重要的两个方程,即本构力方程和点对力方程。然后介绍了PD理论传统的数值方法以及其优缺陷,并引出本文优化所得出的方法,即固定高斯点方法,并通过几个计算实例来分析验证了他在精度和效率方面的改进。然后本文阐述了PD理论模型的离散,即把所研究的模型均匀离散成若干等大的立方体晶格,通过C语言编程计算找到他们的固定高斯点,并积分他们之间的相互作用力,求解PD理论的本构力方程,导出离散点的计算数据,再放到MATLAB中做可视化分析。最后本文通过仿真模拟一个工字梁模型受载后的破坏变形情况,验证PD理论的该数值方法在材料检测方面的可行性,并通过不同的时间步模拟出材料破坏损伤的渐进过程以及相同时间步下,通过不同载荷模拟出材料的不同变形情况,为桥梁的安全监测提供了依据。
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