复合材料层合板结构的非协调扩展逐层方法研究

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复合材料层合板壳是工程中使用非常广泛的结构,因此出现大量关于层合板壳分析理论及损伤分析理论。扩展逐层法结合了逐层法和扩展有限单元法的优势,为复合材料层合结构的损伤研究提供了一种精确的分析方法。但是在实际应用中发现,扩展逐层法分析弯曲模型的收敛速度慢,尤其是在分析大弯曲变形问题时,为了达到一定的精度要求需要划分非常细的网格,因此将耗费大量的计算时间。此外,对于复合材料层合板结构,由于分层和裂纹的出现,弯曲模态时有发生。本文利用Wilson非协调技术在分析弯曲变形时的优势,提高扩展逐层法的收敛速度。将Wilson非协调技术分别引入到扩展有限单元、逐层法和扩展逐层法中,建立了非协调扩展有限单元法(IXFEM)、非协调逐层法(ILWM)和非协调扩展逐层法(IXLWM)。通过大量的数值算例验证了本文建立的方法的正确性,并通过与原方法对比分析了本文方法的收敛性,同时根据Wilson非协调位移项的特点,研究了非协调位移项不同的引入策略(引入方向和引入范围)对收敛速度的影响,以及本文方法在不同弯曲变形程度下(含不同裂纹长度的矩形板,不同(边长/厚度)比值的方板和球壳)的收敛性能。研究结果表明:对于弯曲问题,采用适当的非协调位移项的添加策略,本文方法的收敛速度比原方法的收敛速度快。对于仅在局部发生弯曲变形的模型,局部添加的收敛效果比全局添加的收敛效果好。弯曲变形较大时,局部添加和全局添加的收敛速度相接近但是前者的效率更高。分析仅在局部发生小弯曲变形的模型时,在未发生弯曲变形区域添加的非协调自由度将导致计算结果偏大和振荡。所以对于本文建立的三种方法,非协调位移项的添加原则为:仅添加在发生弯曲变形区域和发生弯曲变形的方向。
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