损伤对板架结构动力特性影响的研究

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1、大连理工大学硕士学位论文损伤对板架结构动力特性影响研究姓名：李艮田申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：洪明20040301摘要由于海洋的特殊环境，船舶与海洋结构工程物极易受到腐蚀、冲击和疲劳等的影响而造成结构的局部刚度弱化损伤，对结构整体力学性能造成影响，并可能最终导致结构的整体破坏。本文探讨了船舶常用加筋板结构在不同刚度弱化情况下结构的静力和动力特性变化，并推导了加筋板结构在各向同性和正交各向异性损伤情况下的有限元列式。对未损伤区域，采用线弹性力学的基本理论，结合有限元方法完成。对各向同性损伤，先对结构进行有限元剖分，对位于损伤区域的单元单独采取刚度各

2、向整体弱化的方法，对健康单元仍采取普通的线弹性力学的分析方法：对于各向异性损伤板情况，采用K~achanov理论，引入了x和y两个方向的弹性损伤系数，并将由于损伤而成为的各向异性材料的力学参数通过损伤系数与原各向同性材料参数相关联。上述将损伤和健康单元分开处理的方法是基于损伤力学中的相关原理而来。本文算例将损伤参数分为三个独立的参数：损伤位置、损伤程度和损伤面积，并分别分析了它们的变化对结构应力、结构固有频率和固有模态的影响。算例结果表明，损伤位置对结构模态和结构应力的分布影响显著：在损伤区域和损伤程度均较小的情况下，距离损伤区域较远部位的应力分布和振型均无明显变化；在小损伤

3、情况下，随损伤位置、损伤面积和损伤程度改变，结构的低阶频率无明显变化。关键词：板架结构；各向同性损伤；各向异性损伤；动力特性；损伤有限元大连理工大学硕士学位论文：损伤对扳架结构动力特性影响研究E和E’分别表示损伤前和损伤后材料的弹性模量。d@，y)表示与位置相关的损伤变量。根据损伤力学中的La玎jaitre应力等效”1假设：受损材料的变形行为可以只通过有效应力来体现，换言之，损伤材料的本构关系可采用无损时的形式，只要将其中的应力口。替换成有效应力西的形式。材料的损伤对结构质量分布的影响很小，在许多的损伤结构分析中都忽略了损伤对结构质量分布的影响p““J，本文在进行有限元计算时

4、，在质量阵中忽略损伤的影响。损伤对结构刚度阵的影响通过损伤变量加以体现，vuIiappan给出了各向异性损伤材料的弹性矩阵例，【D】=墨!!二生窆1一v】2v2l墨!!二生2(!=刍2堡11一v12v210墨!!二刍211二生如1一H2v2l岛(1一吐)2l—V12v2lO。群黼(1一匾)2+(1一攻)2本文采用正交各向异性损伤板模型，结合纤维加强板相关的理论计算损伤板的刚度阵，并将损伤在单元内部连续分布，这样可以采用损伤前材料的各种材料常数对损伤板加以分析，除了引入两个损伤变量表示x和y方向上的损伤外，其他的各个材料常数如为损伤前的材料相同。这样既方便计算，也便于工程应用。

5、本文正交各向异性板模型采用如下的弹性矩阵，M

6、MyM。堡：竺竺孥o12(1一∥屯厅，)12(1一∥2tt，)一竺堡坚堡!o12(1一∥2-≮忌，)12(1一∥2t七，)Oo堡￡24(1+也∥)玑叩y％由弹性力学的相关知识可知，正交异性材料的与各向同性材料力学的差别，仅在于应力一应变关系的不同，而平衡方程，几何方程，协调方程和边界条件则与各向同性材料完全相同。故通过上式的广义应力和广义应变的关系和健康板的相关公式，就可以完成损伤板加膜单元有限元的计算。结构损伤破坏是一穆必然的趋势，好的损伤识别方法能以较小的代价检测出结构的损伤所在，从而能在结构突然破坏之前加以弥补延长结构的使用

7、寿命，减少经济损失。损伤识别概念提出由来已久，近年来已成为热门话题，由于损伤问题本身的复杂性和结构的复杂性，损伤识别亦是一个相当复杂而广泛的问题，涉及到多种学科的交叉，要达到较广泛使用的阶段也是相当困难的。近年来损伤力学的发展，小波理论的应用从理论上促进了损伤识别的进程，本文从含损板架模型着手，研究损伤板的力学特性，为动力大连理工大学硕士学位论文：损伤对板架结构动力特性影响研究损伤识别奠定一定的理论基础。0．2国内外研究概况及发展趋势研究损伤材料的力学性能一般分为三个部分，a)基于材料微观结构的变化来研究材料宏观力学性能的改变；b)利用统计力学如热力学内变量理论研究材料在载荷

8、，温度等作用下发生的不可逆的转变研究材料的损伤发展，并提出了大量的损伤模型：c)基于维像的宏观理论，即提出的损伤模型满足材料宏观力学即可，此种方法不考虑材料的微观结构，便于工程实际应用，因而发展很快。本文重点研究损伤材料的动力性能和有限元理论方面，对材料的损伤只作一定的了解，限于本人的能力和本专业的特长，在论文中主要采用了基于唯像的宏观理论，提出了一个广泛应用的损伤力学模型，结合有限元分析完成相关的数值计算。文献资料大部分也是关于这方面的研究，如下：KachanovLM．“。和ZhangWH．“⋯等研究