基于累積遞增塑性破壞的船體板低周疲勞強度研究.pdf

1、船舶結(jié)構(gòu)的疲勞強度對船舶的安全性和生命力有著十分重要的意義。目前船體結(jié)構(gòu)疲勞強度的研究開展較多的主要是高周疲勞，成果及應(yīng)用也基本是針對高周疲勞的。近年來隨著船舶主尺度的不斷加大，采用的高強度鋼越來越多，船舶結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力及變形也越來越大，使得大型船舶結(jié)構(gòu)的低周疲勞損傷問題顯得十分突出，成為大型化船舶發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵性問題。研究分析表明，大多船體結(jié)構(gòu)的斷裂破壞往往是低周疲勞破壞與遞增塑性破壞兩種破壞模式耦合作用的結(jié)果。因此，基于累積遞

2、增塑性破壞的結(jié)構(gòu)低周疲勞分析能夠更為符合實際地評估船體結(jié)構(gòu)的低周疲勞斷裂。本文從理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究三方面對船體缺損板低周疲勞壽命開展了研究。
　　首先，基于累積遞增塑性破壞理論建立了船體缺口板低周疲勞裂紋萌生壽命的理論解。結(jié)合Newton-Raphson迭代法推導(dǎo)了低循環(huán)高應(yīng)力非對稱循環(huán)載荷下的船體缺口板缺口根部的累積遞增塑性變形，并求得了船體缺口板在累積遞增塑性破壞下的切線剛度理論解。另外，在低周疲勞裂紋萌生至臨界長度

3、階段中，運用短裂紋理論對缺口根部疲勞應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了理論修正，體現(xiàn)了短裂紋的出現(xiàn)對船體缺口板低周疲勞裂紋萌生壽命的影響。同時，采用具有特征缺口半徑和低周疲勞裂紋長度的船體缺陷試樣開展了實驗，對低周疲勞載荷作用下船體缺口板的累積遞增塑性變形規(guī)律及疲勞裂紋萌生壽命進(jìn)行實驗研究。在低周疲勞裂紋萌生壽命分析中，通過引入短裂紋的影響對缺口根部疲勞應(yīng)力集中系數(shù)的理論修正，全面考慮了缺口根部的累積遞增塑性破壞和短裂紋影響的低周疲勞裂紋萌生壽命。結(jié)果

4、表明本文理論分析方法更能接近實驗值。同時也對不同平均應(yīng)力及應(yīng)力幅下的船體缺口板缺口根部累積遞增塑性破壞變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得到有價值的理論分析結(jié)果。
　　其次，通過理論分析提出了船體缺口裂紋板低周疲勞裂紋擴展速率預(yù)測模型、并進(jìn)行了驗證對比研究。同時對船體缺口裂紋板在常幅低周疲勞載荷作用下裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行了理論研究分析，得到了疲勞裂紋尖端存在著的累積遞增塑性破壞的變化機理和影響因素。研究中通過在常幅低周疲勞加載中引入單個拉伸/

5、壓縮過載形式，研究了變幅載荷下低周疲勞裂紋擴展速率預(yù)測模型的適用性。通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究途徑，發(fā)現(xiàn)提出的預(yù)測模型能很好的預(yù)估不同加載條件和過載類型的變幅低周疲勞載荷作用下(包括常幅和變幅載荷)，船體裂紋板疲勞裂紋擴展速率和壽命。通過與裂紋擴展實驗結(jié)果對比，各種條件下的預(yù)測結(jié)果和實驗均十分吻合，能夠定量的預(yù)測過載引起的各個階段的低周疲勞裂紋擴展速率。
　　研究表明，在低周疲勞載荷作用下裂紋尖端存在明顯的累積遞增塑性破壞現(xiàn)

6、象，以及其對低周疲勞壽命的重要影響。因此，基于裂紋尖端累積遞增塑性破壞對低周疲勞載荷作用下中心穿透裂紋板以及三維表面裂紋板CTOD進(jìn)行了研究，為合理評估帶裂紋損傷的船體板的斷裂韌性提供了新的評估方法和技術(shù)手段。
　　本研究工作基于累積遞增塑性對船體低周疲勞強度全面開展理論、實驗及數(shù)值分析研究，所得研究結(jié)果可以更確切地分析評估船體在極值海況下的低周疲勞破壞，為評估船體結(jié)構(gòu)的低周疲勞強度理論分析與應(yīng)用提供理論依據(jù)及可靠的分析方法，為疲