金属面夹芯板抗弯承载力的离散元分析和试验研究

论文摘要

目前在人们在解决包括金属面夹芯板在内的结构分析问题时,采用的基本都是基于连续介质力学的有限单元法、边界元法或者有限差分法,然而这些数值解法对于研究材料大变形非线性问题时候,往往难以得到令人满意的结果。因此,寻求对这类问题的新的解决方法非常有必要。此前广泛应用于岩土工程的离散单元法近年来有了长足的进步,目前已经逐渐成为一种可以模拟结构破坏的新方法。本文总结了离散单元法的开创、理论和应用发展的过程,介绍了目前国内外对离散单元法的研究现状,分析了用离散单元法分析金属面夹芯板的可行性,并建立了合理的夹芯板离散元模型,为此类问题的求解探索了新的途径。本文通过分析离散单元法的基本原理,提出了适合于金属面夹芯板的离散单元法模型。通过分析PFC2D中的各种离散元接触本构理论,提出了三种接触模型的组合方式,并由此建立了三种不同接触组合的夹芯板离散元模型,经过比较分析,当夹芯板芯材和面板分别选择接触粘结模型和平行粘结模型时,可以得到比较满意的结果。通过分析,确定了二维模型和三维模型的平行粘结和接触粘结参数。进而,本文分析了颗粒单元半径和摩擦系数对模拟结果的影响。本文通过分析影响计算收敛速度的各个参数,设置合理值,最终得到的二维离散元模型的荷载跨中挠度曲线,并通过试验、有限元分析和理论分析进行了验证,结果比较吻合,这说明了此模型的合理性。最后分析了四种不同跨度和厚度的夹芯板离散元模型的二维和三维破坏形态,其结果均与试验结果基本吻合,并与理论分析一致。通过与有限元模拟的破坏形态进行比较,验证了离散元方法相对于有限元方法在模拟结构破坏方面的独特优势。本文的研究结果表明离散单元法可以较好的模拟金属面夹芯板的承载力和破坏形态,可以作为研究此类问题的一种新的尝试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 金属面夹芯板概述
• 1.1.2 离散单元法概述
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 颗粒离散元的力学原理与基本方法
• 2.1 颗粒离散元概述
• 2.1.1 颗粒离散元方法概述
• 2.1.2 颗粒离散元程序概述
• 2.2 颗粒流离散单元法的力学原理
• 2.2.1 力位移法则
• 2.2.2 运动法则
• 2.3 PFC2D/3D 中的接触本构模型
• 2.3.1 接触刚度模型
• 2.3.2 滑移模型
• 2.3.3 粘结模型
• 2.3.4 备选模型
• 2.4 离散元程序的基本参数的选择
• 2.4.1 时间步长
• 2.4.2 机械阻尼
• 2.4.3 差异密度缩放
• 第3章 夹芯板的二维和三维离散元模型分析
• 3.1 引言
• 3.2 模型中的单元
• 3.2.1 ball 单元
• 3.2.2 wall 单元
• 3.3 芯材接触本构模型选择与参数确定
• 3.3.1 平行粘结模型
• 3.3.2 接触粘结模型
• 3.3.3 位移软化模型
• 3.4 面板计算参数的确定
• 3.5 PFC2D 模拟过程分析
• 3.5.1 芯材平行粘结模型的PFC2D 模拟过程
• 3.5.2 芯材接触粘结模型的PFC2D 模拟过程
• 3.5.3 芯材位移软化模型的PFC2D 模拟过程
• 3.5.4 三种接触模型结果比较分析
• 3.6 颗粒单元半径与摩擦系数对结果的影响
• 3.6.1 颗粒单元半径对结果的影响
• 3.6.2 摩擦系数对结果的影响
• 3.7 三维离散元模型分析
• 3.7.1 面板单元的参数
• 3.7.2 芯材的计算参数
• 3.8 本章小结
• 第4章 试验验证及有限元对比
• 4.1 夹芯板承载力试验
• 4.1.1 试验试件
• 4.1.2 试验方案
• 4.1.3 试验结果及其分析
• 4.2 夹芯板承载力ABAQUS 有限元模拟
• 4.2.1 ABAQUS 有限元模型的建立
• 4.2.2 有限元分析结果
• 4.3 离散元分析结果与试验、有限元及理论计算结果的比较分析
• 4.3.1 荷载跨中挠度曲线对比分析
• 4.3.2 抗弯承载力对比分析
• 4.4 PFC2D 模型破坏模拟分析
• 4.4.1 破坏荷载对比分析
• 4.4.2 破坏形态对比分析
• 4.4.3 破坏形态的理论分析
• 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
• 4.5 PFC3D 模型的破坏模拟
• 4.5.1 PFC3D 模型的荷载跨中挠度曲线
• 4.5.2 PFC3D 模型破坏形态
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢