船體結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展及其可靠性分析直接計(jì)算法研究.pdf

1、隨著船舶大型化及高強(qiáng)度鋼在船體結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估顯得尤為突出。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)船舶疲勞強(qiáng)度的研究工作主要集中在如何預(yù)防裂紋的產(chǎn)生上，對(duì)產(chǎn)生裂紋后的結(jié)構(gòu)研究較少。因此，各船級(jí)社的疲勞強(qiáng)度校核主要是基于S-N曲線的累積損傷方法，但其存在著一些難以克服的缺陷，如：預(yù)報(bào)結(jié)果離散性大，不能對(duì)含裂紋結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展路徑及剩余疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，以疲勞裂紋擴(kuò)展為基礎(chǔ)的預(yù)測(cè)方法已成為疲勞問題的研究熱點(diǎn)。
　　本文對(duì)含

2、裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估問題開展了一系列研究，開發(fā)了疲勞裂紋擴(kuò)展程序 FCG-System，能夠?qū)鸭y平板及加筋板結(jié)構(gòu)中單裂紋及多裂紋進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展特性分析；以此為基礎(chǔ)，結(jié)合可靠性理論，開展了概率疲勞壽命評(píng)估研究，旨在提出含裂紋船體結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展分析和評(píng)估方法。
　　首先，基于ABAQUS及腳本語(yǔ)言python，結(jié)合疲勞和斷裂力學(xué)開發(fā)裂紋自動(dòng)擴(kuò)展的通用程序 FCG-System。提出了網(wǎng)格自動(dòng)劃分方法，建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)任意裂紋

3、擴(kuò)展自動(dòng)建模技術(shù)與參數(shù)化處理模塊，為含裂紋結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展特性分析提供了技術(shù)保障。
　　在此基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬裂紋閉合法，開發(fā)了含裂紋平板任意疲勞裂紋擴(kuò)展分析模塊。對(duì)含裂紋平板中單一裂紋擴(kuò)展和多裂紋同時(shí)擴(kuò)展的疲勞斷裂特性進(jìn)行分析，并與文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該方法及其程序的準(zhǔn)確性及有效性。此外，對(duì)含非共線中心裂紋的方形板進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討了不同位置的干擾裂紋擴(kuò)展特性，及干擾裂紋對(duì)基礎(chǔ)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的干擾規(guī)律。
　　隨后，針對(duì)

4、船體加筋板結(jié)構(gòu)線狀裂紋，提出了殼體單元的虛擬裂紋閉合法公式。在前述疲勞裂紋擴(kuò)展模擬技術(shù)框架下，結(jié)合殼體單元虛擬裂紋閉合法，進(jìn)一步開發(fā)了適用于船體結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展分析的模塊。為了有效地模擬大型結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋擴(kuò)展，將子結(jié)構(gòu)技術(shù)整合到程序中模擬裂紋擴(kuò)展區(qū)以外的其他區(qū)域。隨后對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)中單一裂紋擴(kuò)展和多裂紋同時(shí)擴(kuò)展的疲勞斷裂特性分析，驗(yàn)證了該方法及程序的準(zhǔn)確性及有效性，并對(duì)網(wǎng)格的不敏感性進(jìn)行驗(yàn)證。然后，對(duì)油船船體縱骨與橫艙壁的連接節(jié)點(diǎn)處四種常

5、用典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，研究其在側(cè)面壓力和軸向拉力作用下扶強(qiáng)材、軟趾、防傾肘板及背肘板對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑及其壽命的影響。
　　最后，進(jìn)一步考慮材料參數(shù)、幾何參數(shù)和荷載參數(shù)等隨機(jī)性的影響，對(duì)含裂紋結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展可靠性進(jìn)行分析。通過增加新的樣本點(diǎn)構(gòu)造高精度響應(yīng)面逐步逼近極限狀態(tài)函數(shù)的方法，將 Kriging改進(jìn)響應(yīng)面法與 MC法結(jié)合起來，構(gòu)造基于 Kriging改進(jìn)響應(yīng)面的可靠度分析方法。并通過三個(gè)數(shù)值算例驗(yàn)證了 Kriging改進(jìn)響應(yīng)