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摘要:本发明涉及船舶制造技术领域,具体的说是一种能够对船体结构裂纹扩展路径进行准确的模拟和预测,进而实现对船体结构疲劳寿命预测的基于态型近场动力学的船体结构疲劳寿命预测方法,包括:建立船体裂纹扩展模型;判断键是否发生断裂:设定船体裂纹扩展模型的断键准则,对超出临界伸长率的键进行自发的断键处理,断键后该键损伤并且键连接的两个物质点失去相互作用;计算损伤值,判断所处的裂纹状态;根据计算得到的循环次数,选取疲劳断键数nc以内的键进行断裂;输出裂纹扩展预测图及疲劳寿命预报a‑N曲线,可以实现板格及加筋板结构的裂纹扩展路径预测及疲劳寿命预报,为船舶船体结构疲劳寿命预测提供高效的新方法。
主权项:1.一种基于态型近场动力学的船体结构疲劳寿命预测方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:建立船体裂纹扩展模型;步骤2:判断键是否发生断裂:设定船体裂纹扩展模型的断键准则,对超出临界伸长率的键进行自发的断键处理,断键后该键损伤并且键连接的两个物质点失去相互作用;步骤3:计算损伤值,判断所处的裂纹状态;步骤4:根据计算得到的循环次数,选取疲劳断键数nc以内的键进行断裂;步骤5:输出裂纹扩展预测图及疲劳寿命预报a-N曲线;步骤1具体包括以下内容:步骤1-1:确定及输入材料参数:材料参数包括弹性模量,泊松比,密度;确定近场邻域尺寸,各方向的物质点数,确定物质点间距;步骤1-2:确定物质点数量和坐标:结合结构几何尺寸,计算确定物质点的数量和每个物质点的坐标,建立结构几何模型;步骤1-3:离散和遍历每个物质点,并确定近场范围内的物质点数:用二维数组表示第i个中心物质点的第j个近场物质点,按照建模顺序遍历每个物质点,将所有物质点按照i进行首次编号处理,并存进数组中,按照编号顺序依次搜索物质点,将搜索到的第i个物质点设为中心物质点,找出在该中心物质点近场邻域内的近场物质点数目,并对近场物质点按照j进行二次编号处理,将搜到的近场物质点存进另一个数组中,表示第i个中心物质点的第j个近场物质点,待近场领域内所有近场物质点搜索完毕,开始搜索下一个中心物质点,直到所有i编号物质点完成搜索及二次j编号处理;步骤1-4:定义初始裂纹,二维结构通过断开裂纹路径上物质点之间的键来设定裂纹,三维结构则挖去初始裂纹位置的物质点来设定裂纹;步骤1-5:进行体积修正,引入体积修正因子νci,对物质点进行体积修正, 式中:i,j表示第i个中心物质点的第j个近场物质点,ξij为初始键长,代表了x和x'的相对位置,δ为近场邻域尺寸,Δ为物质点间距,ξij<δ-Δ表示物质点完全位于近场邻域内,δ-Δ≤ξij<δ+Δ表示物质点部分位于近场邻域内,ξij≥δ+Δ表示物质点完全位于近场范围外;步骤1-6:计算加权体积,定义加权体积标量qi,对每个中心物质点的加权体积进行计算,见公式2,qi=ωxij·xij2,式中:xij为键的参考位置标量状态场,表示第i个中心物质点的第j个近场物质点之间的标量键长,ω为影响函数,·为点积符号;步骤1-7:时域积分,按照设定总时间步及时间间隔开始计算,每一步计算更新对应的边界条件和力载荷,计算新的膨胀率和力态,再计算出新的加速度、速度、位移,重复直至达到设定总时间步;步骤1-8:施加边界条件及力载荷,边界条件和力载荷在程序当中直接进行设定输入,或通过txt文件进行读取输入,力载荷的形式是牛顿力、压强及近场动力学体力,边界条件形式是位移、速度及加速度;步骤1-9:计算膨胀率,定义膨胀率θi,对于小变形,膨胀率度量了物体的体积应变,代表了中心物质点周围体积的变形对该中心物质点的键的参考位置标量状态场xij的力态影响,定义为公式3, 式中:yij为键的变形标量状态场,eij为伸长标量状态;步骤1-10:计算力态,通过力态及运动方程来计算物质点的位移、速度、加速度,力态的表达式如公式4所示: 式中:ν为泊松比,E为弹性模量,κ为体积弹性模量,在小变形条件下,α为剪切模量μ的参数,α=15μqi, 伸长标量状态各项同量, edij=eij-eiij伸长标量状态各项偏量, xij为键的参考位置标量状态场, Mij为力态的单位矢量方向,表示力的方向, eij表示伸长标量状态;采用隐式算法中的自适应动力松弛法解运动方程,引入人工阻尼,在每一步时间积分中确定阻尼项,其中引入虚拟阻尼的物质点x运动方程见公式5, 式中:cnix,t为阻尼系数项,上标n代表当前时间步,ρi为当前物质点密度, 物质点x在t时刻的速度矢量,上标n代表当前时间步, Tij[x,t]x'-x表示物质点x在t时刻物质点x'对中心物质点的力态, 为物质点x在t时刻的加速度矢量,bix,t为物质点x在t时刻的外力体积力密度,H=Hx,δ:{x'∈R:||x'-x||≤δ},表示物质点x的邻域范围,按照运动方程计算物质点对应的位移、速度、加速度;步骤2中,判断键是否发生断裂选用基于临界伸长率的三维结构断键准则,先进行伸长率的计算,进而和设定的临界伸长率进行比较,判断是否发生断裂,断裂之后两点之间不再有相互作用,近场力变为0,若不断,则相互作用一直存在,直至断裂或计算结束,临界伸长率和判断见公式6、7, 式中:μij'ξ表征键的连接状态;xij为键的参考位置标量状态场,yij为键的变形标量状态场,sij为键伸长率,s0为伸长率的临界值,G0为材料的临界能量释放率,λij表示该键剩余寿命,κ、μ表示体积弹性模量、剪切模量;所述步骤1-1中,近场领域尺寸用δ表示,以中心物质点为圆心或球心画一个半径为δ的圆或球,该圆或球即为此中心物质点的近场邻域,物质点间距为Δ,δ=3Δ;所述步骤1-2中,二维模型离散为正方形,三维模型离散为正方体,三维模型中离散的近场范围为一个球体,二维是平面圆。
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百度查询: 哈尔滨工业大学(威海) 基于态型近场动力学的船体结构疲劳寿命预测方法
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