曲面上线状裂纹的虚拟裂纹闭合法和离散内聚力模型

论文摘要

近年来,船体结构日益呈现出尺寸大型化和重量轻型化的趋势,使得船体结构强度风险和航运经济风险增加。为防止二次大战时期大量全焊接船舶断裂解体事故的重演,必须对船体结构断裂强度给予高度关注。从国内外研究现状来看,船体结构的断裂强度分析中主要采用从总体中分离出细节的子结构法。这种方法存在的困难有:需要对每个细节进行分析,任务量大;分离出来的细节与船体之间的相互联系被削弱;对于典型的节点本身也需要在裂纹尖端设置细密单元,计算量大。而真正对船舶与海洋结构物造成灾害性破坏的是结构尺度上的长距离裂纹。分析这种结构尺度上的断裂问题需要借助于数值方法且数值方法必须满足对网格尺寸不敏感,所需计算时间足够短和储存空间足够小这两个要求。本文提出能对整船断裂行为进行快速有效分析的数值仿真方法。针对大型舰船结构尺度上的裂纹,基于断裂力学和有限元方法,开发出若干有实用价值的数值模拟技术,并通过算例验证这些技术手段的可靠性和可行性。这些方法包括曲面上线状裂纹的虚拟裂纹闭合法,折线法的虚拟裂纹闭合法以及离散内聚力模型等。本文所提出的直接计算法中的这些数值技术,具有对网格尺寸不敏感、不必在裂纹尖端设置细密网格、无需网格更新技术等优点,可节约大量的计算时间。使得整船断裂强度分析成为可能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究思路
• 1.4 研究方案
• 1.5 论文结构
• 2 哑节点断裂单元
• 2.1 哑节点断裂单元的定义
• 2.2 哑节点断裂单元的刚度矩阵
• 2.3 哑节点断裂单元中局部坐标系的构建
• 3 曲面上线状裂纹的虚拟裂纹闭合法公式及其断裂单元
• 3.1 四节点壳体单元线状裂纹的虚拟裂纹闭合法公式
• 3.2 哑节点断裂单元
• 3.3 算例
• 3.4 本章小结
• 4 折线法的虚拟裂纹闭合法公式及其断裂单元
• 4.1 折线法的基本思路
• 4.2 曲面上弯折裂纹的虚拟裂纹闭合法公式
• 4.3 折线法的哑节点断裂单元
• 4.4 算例
• 4.5 本章小结
• 5 曲面上线状裂纹的离散内聚力模型及其断裂单元
• 5.1 复合型断裂问题的三角形内聚力法则
• 5.2 基于离散内聚力模型的曲面上线状裂纹断裂单元
• 5.3 算例
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2
• 附录3
• 附录4