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《大连理工大学》 2003年
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平面弹塑性断裂分析的解析与有限元结合解法及其在混凝土断裂力学中的应用

王承强  
【摘要】:断裂力学是50年代开始蓬勃发展起来的固体力学新分支,有微观断裂力学与宏观断裂力学之分。一方面,需要深入到微观领域弄清微观的断裂机理,才能深入了解宏观断裂的现象。另一方面,宏观断裂力学仍然没有发展完善,尤其是在工程实际中的应用还远未成熟,即使平面弹塑性断裂力学也依然有许多亟待解决的问题。应力强度因子准则和COD准则分别是线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学中非常重要的断裂准则,确定应力强度因子的方法和COD的计算仍是人们继续关心的问题。 随着计算机的发展,计算机技术、计算数学和力学交叉而产生了一个新的学科分支,这就是计算力学。如今计算和试验及理论分析已经成为力学工作者解决工程和科学中的力学问题的三大支柱。计算力学与断裂力学学科相互交叉、相互渗透便产生了断裂力学新分支计算断裂力学。本博士学位论文内容就属于这一范畴,针对平面弹塑性断裂的一系列问题,提出了一类新的解析与有限元结合解法--半解析有限元法。应用弹性力学哈密顿体系理论,在裂纹尖端构造出满足不同裂纹表面边界条件的一类裂纹奇异解析元,该类超级单元能够准确描述不同简化模型下的裂纹尖端场。将该类超级单元与普通有限单元相结合便构成半解析的有限元法,可较为方便地计算弹塑性裂纹尖端场。该方法兼顾了解析法和有限元法的优点,既能够满足精度要求又简单灵活。本论文的主要研究工作如下: 1.从弹性力学哈密顿体系理论出发,利用平面弹性力学极坐标系下的本征向量展开求解,推导了环形圆形域裂纹边作用有均布压力、线性压力和均布剪切力情况下的特解,从而得到了裂纹表面作用有以上三种荷载情况下的裂纹尖端场的解析解,为进一步构造进行弹塑性裂纹分析的奇异解析元奠定了理论基础。 2.在哈密顿体系下,将平面扇形域的本征向量展开求解与变分原理相结合,构造了一类裂纹弹性解析元,建立了解析元的出口刚度阵。该类解析元可与普通有限单元相结合,形成半解析的有限元法。应用该半解析有限元法可计算Ⅰ型、Ⅱ型以及Ⅰ+Ⅱ混合型裂纹的应力强度因子。文中作了大量的裂纹应力强度因子计算,与边界配置法、传统有限元法以及解析法进行了系统的比较,结果表明该方法用于应力强度因子计算不但精度较高,而且简便易行,便于工程实际应用。文中还进行了不同解析元出口节点数时应力强度因子的计算,结果表明本文方法有很好的收敛性。 3。将上面的半解析有限元法应用于弹塑性断裂力学中的Dugdale模型,分别构造了基于Ⅰ型和Ⅱ型Dugdale模型的裂纹解析元,并建立了解析单元的出口刚度阵和荷载向量的列式。该类超级单元能够准确地描述基于Dugdale模型的裂纹尖端场,可与普通有限单元相结合,构成半解析有限元法。应用该方法通过增量迭代计算,能够得到工程应用中所关心的裂纹塑性区尺寸和裂纹尖端张开或滑开位移。数值计算结果表明本文半 解析有限元法具有较好的精度和收敛性.值得一提的是,对n型Dugdale模型的数值计 算在以往的研究中还没有见到。 4.将这一套新的半解析有限元法应用到混凝土断裂力学,来解决基于双线性粘聚 力模型的混凝土裂缝扩展问题。实现了统一框架下模拟混凝土裂缝起裂、稳定扩展、不 稳定扩展直至断裂破坏的不同裂缝扩展阶段,追踪了混凝土断裂的全过程。不但具有较 高的精度,而且避免了应用普通有限元分析该类问题时自适应网格划分必须额外考虑双 线性粘聚力分布所带来的困难。将本文的半解析有限元法应用于双K断裂参数的计算, 简单易行,计算双K断裂参数的同时可以得到裂缝尖端张开位移和虚拟裂缝长度等参 量,无需分开计算。本文方法同样适用于其它混凝土断裂模型的断裂参数的计算。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:O346

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 胡小飞;基于辛空间的解析奇异单元及其在断裂力学中的应用[D];大连理工大学;2012年
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1 宋鸣;双材料V型切口理论及应用基础研究[D];兰州理工大学;2007年
2 于长泳;粘聚力模型下准脆性材料断裂分析的半解析有限元法[D];大连理工大学;2007年
【共引文献】
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6 林立志;李法新;;考虑弹塑性变形约束的裂纹尖端塑性区分析[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
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【同被引文献】
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2 胡蓓雷,赵国藩;混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹有效断裂准则[J];大连理工大学学报;1996年06期
3 姚伟岸;蔡智宇;胡小飞;;矩形正交各向异性薄板弯曲受迫振动问题的分析解[J];动力学与控制学报;2011年01期
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5 傅向荣,龙驭球;分区混合元法分析平面裂纹问题[J];工程力学;2001年06期
6 赵艳华,徐世烺;Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹脆性断裂的最小J_2准则[J];工程力学;2002年04期
7 傅向荣,龙驭球;解析试函数法分析平面切口问题[J];工程力学;2003年04期
8 王承强,郑长良;平面裂纹应力强度因子的半解析有限元法[J];工程力学;2005年01期
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3 于长泳;粘聚力模型下准脆性材料断裂分析的半解析有限元法[D];大连理工大学;2007年
【二级引证文献】
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1 李林升;基于CT图像边缘提取的工件应力分析及疲劳寿命预测研究[D];重庆大学;2011年
2 胡小飞;基于辛空间的解析奇异单元及其在断裂力学中的应用[D];大连理工大学;2012年
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