A hybrid-displacement finite element model for the bending analysis of thin cracked plates

Abstract

Based on Kirchhoff's hypothesis and relevant variational principles, this work presents an assumed hybrid-dis-placement finite element model to solve the bending problems of thin cracked plates subjected to static and dynamic loadings. To provide a potential method of non-destructive testing in evaluating the integrity of structure, natural vibrations of the thin cracked plate are also studied. Since the integrand of the associated functional contains the second-order derivatives of the lateral displacement of the plate, the compatibility requirements for the lateral displacement and its normal slope at inter-element boundaries are enforced in an integral sense through the use of a Lagrangian multiplier technique. The proper singular behaviours for the bending stresses and strains are incorporated in the singular elements around the crack-tips. The static and dynamic symmetric and anti-symmetric bending stress intensity factors can be directly computed. To avoid underestimation of dynamic bending stress intensity factors, the important role of the singular elements is also demonstrated. Good correlations between the computed results and available solutions in the literature show the accuracy and efficiency of the present work. Some new solutions for the bending thin cracked plates are then drawn.

Résumé

En se basant sur I'hypothèse de Kirchoff et sur des principes adéquats d'adaptation, on présente dans ce travail un modèle par éléments finis à déplacements hydrides qui est supposé résoudre les problèmes de flexion de tôle mince soumise à des charges statiques et dynamiques. On a également étudié les vibrations naturelles de la tôle mince fissurée en vue d'établir une méthode potentielle d'essai non destructif pour évaluer l'intégrité de la structure. Comme l'intégrant de la fonction associée comporte des dérivées du second ordre du déplacement latéral de la tôle, les exigences de compatibilité pour le déplacement latéral et pour la pente normale à la liaison entre les éléments sont contenues dans un sens intégral en utilisant la technique des multiplicateurs de Lagrange. Les comportements singuliers relatifs aux contraintes et aux déformations de flexion sont incorporés dans les éléments singuliers au voisinage des pointes de la fissure. Il est possible de calculer directement les facteurs d'intensité de contraintes symétriques et antisymétriques, qu'ils soient statiques ou dynamiques. En vue d'éviter une sous-estimation des facteurs d'intensité de contrainte en flexion dynamique, on démontre également le rôle important des éléments singuliers. La précision et l'utilité de ce travail sont démontré par les bonnes corrélations obtenues entre les résultats calculés et les solutions disponibles dans la littérature. Quelques solutions nouvelles relatives à la flexion de tôle mince fissurée sont ensuite présentées.