基于奇異強(qiáng)度理論的船體焊接接頭應(yīng)力場(chǎng)和疲勞強(qiáng)度評(píng)估.pdf

1、眾所周知，焊接構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在幾何上的不連續(xù)性會(huì)造成局部應(yīng)力場(chǎng)的激增。在船舶與海洋工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)具有的抗外載損傷能力是滿足其經(jīng)濟(jì)性和改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最根本的指標(biāo)。板、加強(qiáng)筋和肘板組成了船體最為常見和簡(jiǎn)單的板梁結(jié)構(gòu)。拐角處的應(yīng)力集中，造成了應(yīng)力奇異效應(yīng)，在交變應(yīng)力下，引起裂紋的萌生和擴(kuò)展。因此，了解焊接件幾何不連續(xù)位置的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，是試件進(jìn)行精確設(shè)計(jì)的前提。
　　本文所開展的主要工作以及結(jié)論歸納如下：
　?。?）基于切口應(yīng)力強(qiáng)度

2、理論，引入了奇異強(qiáng)度值‘a(chǎn)s’的概念，提出了評(píng)估135°切口應(yīng)力場(chǎng)分布(σθⅠ,和σθⅡ,)的簡(jiǎn)便算法，通過(guò)對(duì)一系列十字形模型的數(shù)值擬合，回歸了簡(jiǎn)易的應(yīng)力場(chǎng)評(píng)估公式，可以適應(yīng)于不同的幾何模型。之后，將應(yīng)力表達(dá)式的預(yù)估結(jié)果同 N-SIF公式結(jié)果及有限元結(jié)果作了對(duì)比分析，結(jié)果表明該公式可以簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的描述焊接接頭處的應(yīng)力場(chǎng)。
　?。?）傳統(tǒng)的名義應(yīng)力方法或 S-N曲線法，是目前疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中預(yù)估焊接件疲勞強(qiáng)度最為基本的方法。該方法是基

3、于設(shè)計(jì)的名義應(yīng)力，卻沒有明確地考慮節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)力的不連續(xù)性。傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法雖方便運(yùn)用，但是對(duì)于復(fù)雜的焊接接頭卻很難找到與之匹配的接頭類型；而且當(dāng)外載很復(fù)雜時(shí)，會(huì)很難或者根本不可能求得相應(yīng)的名義應(yīng)力。在焊接拐角處，應(yīng)力奇異使得基于彈性應(yīng)力峰值的失效準(zhǔn)則不再適用，為此，本文提出了一種采用奇異強(qiáng)度值‘a(chǎn)s’來(lái)預(yù)估焊接拐角處應(yīng)力場(chǎng)及N-SIFs值的簡(jiǎn)易方法，并采用切口處N-SIFs值來(lái)預(yù)估焊接件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。通過(guò)驗(yàn)證表明，該方法可以簡(jiǎn)單

4、快捷的評(píng)估復(fù)雜焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。
　?。?）和名義應(yīng)力不同，熱點(diǎn)應(yīng)力方法（也被稱作結(jié)構(gòu)應(yīng)力或幾何應(yīng)力）充分考慮了關(guān)鍵點(diǎn)或熱點(diǎn)位置的應(yīng)力集中效應(yīng)。然而，對(duì)于熱點(diǎn)應(yīng)力的定義和求解，多半是基于表面外插值的方法，其他的結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法卻很少涉及。本文在上述切口應(yīng)力強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合1 mm應(yīng)力法和等效零點(diǎn)應(yīng)力法，提出了一種新的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求解方法。基于簡(jiǎn)單的十字形模型，該方法還可以適用于復(fù)雜的船體焊接構(gòu)件。為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法的有效性，本

5、文運(yùn)用了不同的方法對(duì)DNV5組典型的焊接節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)估分析。
　?。?）對(duì)于含初始裂紋構(gòu)件（包括邊裂紋和半橢圓表面裂紋），本文分別采用改進(jìn)的附加裂紋長(zhǎng)度方法、近似的應(yīng)力集中系數(shù)法，以及傳統(tǒng)的幾何系數(shù)修正公式估算了其應(yīng)力強(qiáng)度因子值。將試驗(yàn)結(jié)果和疲勞強(qiáng)度預(yù)估值作比較發(fā)現(xiàn)，附加裂紋長(zhǎng)度方法的結(jié)果和傳統(tǒng)的形狀修正法的結(jié)果比較相近，驗(yàn)證了本章所提方法的可行性。
　　本文著重對(duì)切口件應(yīng)力場(chǎng)和疲勞強(qiáng)度的簡(jiǎn)易評(píng)估方法進(jìn)行了研究，且充