船海結(jié)構(gòu)物疲勞熱點(diǎn)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子及其擴(kuò)展路徑預(yù)報(bào)方法研究.pdf

1、船舶和海洋平臺作為大型焊接結(jié)構(gòu)，由于受海上復(fù)雜風(fēng)浪載荷作用，其疲勞熱點(diǎn)處的應(yīng)力場復(fù)雜多變。為了預(yù)報(bào)含裂紋結(jié)構(gòu)的剩余壽命，必須精確計(jì)算復(fù)雜應(yīng)力場中裂紋擴(kuò)展路徑和應(yīng)力強(qiáng)度因子。本文對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)中的疲勞熱點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，總結(jié)了求解典型節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度子的方法。研究了復(fù)雜應(yīng)力場中的裂紋擴(kuò)展路徑以及殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)冗余對裂紋擴(kuò)展路徑的影響。主要內(nèi)容總結(jié)如下：
　?。?）將 CCS在規(guī)范中規(guī)定的疲勞評估節(jié)點(diǎn)分為四類，分別使用三維有限元

2、方法求解第一類、第二類、第三類節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)并和BS7910公式對比。結(jié)果表明：第一類節(jié)點(diǎn)與BS7910公式吻合良好；第二類節(jié)點(diǎn)裂紋在趾端范圍內(nèi)時應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)較BS7910公式大，超過趾端范圍內(nèi)時，應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)發(fā)生突變快速下降并逐漸趨近于1；第三類節(jié)點(diǎn)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)在整個范圍內(nèi)較 BS7910公式大。且第二類節(jié)點(diǎn)、第三類節(jié)點(diǎn)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)和BS7910公式結(jié)果相差都較大。為此，分別對第二、

3、三類節(jié)點(diǎn)提出了各自的修正公式，它們和有限元計(jì)算結(jié)果吻合良好。
　　（2）定義了描述 Y型管節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)，通過空間坐標(biāo)方程的求解得出了相貫線方程在不同坐標(biāo)系下的表達(dá)，然后針對焊趾帶來的厚度變化對相貫線方程進(jìn)行修正?；趯ι鲜鯵型管節(jié)點(diǎn)幾何特性的研究，考慮到變換后網(wǎng)格協(xié)調(diào)和管壁厚所帶來的影響，給出了相貫線方程的具體坐標(biāo)變換方法，并分別使用坐標(biāo)變換方法建立了主管、支管和裂紋塊模型。最后將各部分模型裝配起來，得到了含裂紋的Y型管節(jié)點(diǎn)有限

4、元模型。并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了含裂紋的Y型管節(jié)點(diǎn)自動建模程序。
　?。?）在對裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬方法及相關(guān)準(zhǔn)則的研究基礎(chǔ)之上編寫了復(fù)雜應(yīng)力場中單邊裂紋擴(kuò)展計(jì)算程序，分別采用三種不同的裂紋擴(kuò)展方向準(zhǔn)則來模擬裂紋擴(kuò)展方向，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明，兩者相差很小。選擇了艙口角隅和肘板這兩種典型船舶構(gòu)件，通過改變作用在兩個主方向上的載荷大小之比（載荷比），模擬復(fù)雜載荷對于裂紋擴(kuò)展路徑和壽命的影響。結(jié)果表明，角隅上的裂紋對載荷比變化不敏感，而肘

5、板上的裂紋對載荷比變化非常敏感。
　?。?）在對殘余應(yīng)力場中I、II型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法研究的基礎(chǔ)上，將焊接殘余應(yīng)力場中裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算引入疲勞裂紋擴(kuò)展程序，計(jì)算了焊接殘余應(yīng)力場中的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑以及擴(kuò)展壽命，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近。為了將疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算引入大型船舶結(jié)構(gòu)中并考慮結(jié)構(gòu)冗余的影響，本文分別使用了子模型技術(shù)和子結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算結(jié)果表明，二者均可用于冗余結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)報(bào)，其中子結(jié)構(gòu)技術(shù)不僅更加