【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及船舶制造，具體的說是一種能夠對船體結構裂紋擴展路徑進行準確的模擬和預測，進而實現對船體結構疲勞壽命預測的基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法。
技術介紹
1、船舶船體結構中存在板格和加強筋等結構部件，在船舶運行過程中，此類部件隨航運時間延長或磕碰，會存在開裂等劣化情況，此類劣化可能會導致船體結構使用壽命縮短、需要即使更換維修，但對初期較小的損傷，整體更換相關部件顯然會造成船舶維護成本大規模上升。因此，對于船舶結構部件上損傷進行裂紋擴展路徑預測，能夠為船舶結構件維護維修提供有力支撐。
2、傳統的連續介質力學在不連續處存在導數沒有定義的情況，會產生求解困難。目前對于裂紋擴展的研究主要方法是xfem（extended?finite?element?method-擴展有限元法），但該方法需要添加與位移相關的函數，并且需要引入外部斷裂準則來控制不連續位移，使用起來較為麻煩且復雜情況下計算結果不夠精確。而近場動力學通過建立積分方程，避免了這種奇異性，能夠模擬裂紋自發萌生和擴展。但目前近場動力學對裂紋擴展的研究主要集中在二維結構，對三維結構的研究較少，且使用的方法大多是鍵型近場動力學，由于泊松比的限制使其適用性不強。考慮到現實結構大多數為三維結構，且鍵型近場動力學限制泊松比為0.25和0.33明顯不能滿足結構的裂紋擴展路徑預測及疲勞壽命預報需要。
技術實現思路
1、本專利技術為了克服現有技術中存在的不足，提供一種基于態型近場動力學方法，突破了原有鍵型近場動力學方
2、本專利技術通過以下措施達到：
3、一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
4、步驟1：建立船體裂紋擴展模型；
5、步驟2：判斷鍵是否發生斷裂:設定船體裂紋擴展模型的斷鍵準則，對超出臨界伸長率的鍵進行自發的斷鍵處理，斷鍵后該鍵損傷并且鍵連接的兩個物質點失去相互作用；
6、步驟3：計算損傷值，判斷所處的裂紋狀態；
7、步驟4：?根據計算得到的循環次數，選取疲勞斷鍵數nc以內的鍵進行斷裂；
8、步驟5：輸出裂紋擴展預測圖及疲勞壽命預報a-n曲線。
9、本專利技術步驟1具體包括以下內容：
10、步驟1-1：確定及輸入材料參數，材料參數包括彈性模量，泊松比，密度，確定近場鄰域尺寸，各方向的物質點數，確定物質點間距；
11、步驟1-2：確定物質點數量和坐標：結合結構幾何尺寸，計算確定物質點的數量和每個物質點的坐標，建立結構幾何模型；
12、步驟1-3：離散和遍歷每個物質點，并確定近場范圍內的物質點數：用二維數組表示第i個中心物質點的第j個近場物質點，按照建模順序遍歷每個物質點，將所有物質點按照i進行首次編號處理，并存進數組中，按照編號順序依次搜索物質點，將搜索到的第i個物質點設為中心物質點，找出在該中心物質點近場鄰域內的近場物質點數目，并對其按照j進行二次編號處理，將搜到的近場物質點存進另一個數組中，此時即表示第i個中心物質點的第j個近場物質點，待近場領域內所有近場物質點搜索完畢，開始搜索下一個中心物質點，直到所有i編號物質點完成搜索及二次編號處理；
13、步驟1-4：定義初始裂紋，二維結構通過斷開裂紋路徑上物質點之間的鍵來設定裂紋，三維結構則挖去初始裂紋位置的物質點來設定裂紋；
14、步驟1-5：進行體積修正，引入體積修正因子對物質點進行體積修正，見公式（1）：
15、（1），
16、式中：為第i個中心物質點的第j個近場物質點，
17、ξ為初始鍵長，代表了x和的相對位置，
18、δ為近場鄰域尺寸，
19、δ為物質點間距，
20、ξ（i）（j）＜δ-δ表示物質點完全位于近場鄰域內，
21、δ-δ≤ξ（i）（j）＜δ+δ表示物質點一部分位于近場鄰域內，
22、ξ（i）（j）≥δ+δ表示物質點完全位于近場范圍外；
23、步驟1-6：計算加權體積，定義加權體積標量q（i），對每個中心物質點的加權體積進行計算，見公式（2），
24、（2），
25、式中：為鍵的參考位置標量狀態場,表示第i個中心物質點的第j個近場物質點之間的標量鍵長，ω為影響函數，·為點積符號；
26、步驟1-7：時域積分：按照設定總時間步及時間間隔開始計算，每一步計算更新對應的邊界條件和力載荷，計算新的膨脹率和力態，再計算出新的加速度、速度、位移，重復直至達到設定總時間步；
27、步驟1-8：施加邊界條件及力載荷，邊界條件和力載荷在程序當中直接進行設定輸入，或通過txt文件進行讀取輸入，力載荷的形式是牛頓力、壓強及近場動力學體力，邊界條件形式是位移、速度及加速度；
28、步驟1-9：計算膨脹率：膨脹率θ（i），對于小變形，膨脹率度量了物體的體積應變，代表了中心物質點周圍體積的變形對該中心物質點的鍵上的力態的影響，定義為公式（3），
29、（3），
30、式中，為鍵的變形標量狀態場，
31、為伸長標量狀態；
32、步驟1-10：計算力態，通過力態及運動方程來計算物質點的位移、速度、加速度，力態的表達式為公式（4）：
33、式中，ν為泊松比，?e為彈性模量，κ為體積彈性模量，在小變形條件下，，
34、α為剪切模量μ的參數， α=15μ/q，
35、為伸長標量狀態各項同量，
36、為伸長標量狀態各項偏量，χ為鍵的參考位置標量狀態場，m為力態的單位矢量方向，表示力的方向，e表示伸長標量狀態；
37、采用隱式算法中的自適應動力松弛法解運動方程，引入人工阻尼，在每一步時間積分中確定阻尼項，引入虛擬阻尼的物質點χ運動方程見公式（5），（5），
38、式中，c為阻尼系數項，上標n代表當前時間步，ρ為當前物質點密度，物質點χ在t時刻的速度矢量，
39、表示物質點χ在t時刻物質點χ’對中心物質點χ的力態，為物質點χ在t時刻的加速度矢量，為物質點χ在t時刻的外力體積力密度，
40、表示物質點χ的鄰域范圍，按照運動方程計算物質點對應的位移、速度、加速度。
41、本專利技術步驟2中判斷鍵是否發生斷裂選用基于臨界伸長率的三維結構斷鍵準則，先進行伸長率的計算，進而和設定的臨界伸長率進行比較，判斷是否發生斷裂，斷裂之后兩點之間不再有相互作用，近場力變為0，若不斷，則相互作用一直存在，直至斷裂或計算結束，臨界伸長率和判斷見公式（6）、（7），
42、（6），
43、（7），
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【技術保護點】
1.一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟1具體包括以下內容：
3.根據權利要求2所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟2中，判斷鍵是否發生斷裂選用基于臨界伸長率的三維結構斷鍵準則，先進行伸長率的計算，進而和設定的臨界伸長率進行比較，判斷是否發生斷裂，斷裂之后兩點之間不再有相互作用，近場力變為0，若不斷，則相互作用一直存在，直至斷裂或計算結束，臨界伸長率和判斷見公式（6）、（7），
4.根據權利要求3所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟3中計算損傷值具體為：計算每一個時間步下每個物質點對的損傷值，物質點對的損傷值為一個描述物質點x在時刻t時的損傷程度的量，表達式見公式（8），
5.根據權利要求4所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟4包括以下內容：
6.根據權利要求2所述的一種基于態型近場動
7.根據權利要求2所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，所述步驟1-2中，二維模型離散為正方形，三維模型離散為正方體，三維模型中離散的近場范圍為一個球體，二維是平面圓。
...【技術特征摘要】
1.一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟1具體包括以下內容：
3.根據權利要求2所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟2中，判斷鍵是否發生斷裂選用基于臨界伸長率的三維結構斷鍵準則，先進行伸長率的計算，進而和設定的臨界伸長率進行比較，判斷是否發生斷裂，斷裂之后兩點之間不再有相互作用，近場力變為0，若不斷，則相互作用一直存在，直至斷裂或計算結束，臨界伸長率和判斷見公式（6）、（7），
4.根據權利要求3所述的一種基于態型近場動力學的船體結構疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟3中計算損傷值具體為：計算...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張巖，陳更新，郭彬，趙偉棟，桂洪斌，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學威海，
類型：發明
國別省市：
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