船海結(jié)構(gòu)物疲勞裂紋擴展壽命與可靠性預報方法研究.pdf

1、疲勞是海洋結(jié)構(gòu)物主要的破壞模式之一。因此，疲勞強度校核是船舶結(jié)構(gòu)設計的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的疲勞分析方法基于S-N曲線和線性累積損傷理論，是目前各大船級社和工程上運用的主要方法。然而，由于這種傳統(tǒng)的疲勞分析方法不能考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷、載荷次序等因素，各大船級社和研究者們逐漸意識到，基于斷裂力學的疲勞評估方法是未來發(fā)展的趨勢，該方法目前成為該領(lǐng)域的研究熱點之一。
　　基于斷裂力學的疲勞壽命評估方法目前在工程上的應用并不多，這主要是因為該方法

2、在預報時仍存在一些問題亟待解決。一般在運用基于斷裂力學的疲勞評估方法進行壽命預報與疲勞強度校核時，包含四個方面的內(nèi)容，即：疲勞載荷譜、裂紋擴展率、斷裂參數(shù)、失效評定。本文正是在上述背景下，從這四個方面展開課題的，主要內(nèi)容包括：
　?。?）介紹了本文研究的背景，綜述了國內(nèi)外船海結(jié)構(gòu)物疲勞方面研究現(xiàn)狀，具體對疲勞載荷譜、裂紋擴展率、斷裂參數(shù)、可靠性等方面的工程應用做了詳細闡述，并指出目前基于斷裂力學的疲勞評估方法中的一些不足。

3、　　（2）嘗試了一種基于子模型技術(shù)的應力強度因子計算方法，該方法結(jié)合工程常用的PATRAN有限元模型和ANSYS在應力強度因子計算上的優(yōu)勢，能夠計算復雜載荷下焊接細節(jié)處的三維裂紋應力強度因子。
　?。?）在“波浪誘導交變應力范圍的長期分布服從兩參數(shù)的Weibull分布”假定的基礎(chǔ)上構(gòu)造疲勞載荷譜，并研究 Weibull形狀參數(shù)對裂紋擴展的影響。以某條船舶的一個疲勞熱點為研究對象，對比各大船級社在形狀參數(shù)計算方面存在的差異。

4、　?。?）通過對譜分析法進行研究，本文基于譜分析法提出了兩種疲勞載荷譜構(gòu)造方法：第一種是根據(jù)譜分析法中的長期分布，擬合得到 Weibull分布的兩個參數(shù)，然后根據(jù) Weibull分布產(chǎn)生疲勞載荷譜；第二種直接從譜分析法中的短期分布產(chǎn)生各個海況下的疲勞載荷塊，這些短期分布的疲勞載荷塊按照海況出現(xiàn)的概率隨機出現(xiàn)，構(gòu)成壽命期內(nèi)疲勞熱點位置的波浪誘導疲勞載荷譜。
　?。?）分別以大型集裝箱船高強度厚甲板、半潛式鉆井平臺立柱與橫撐的連接部位

5、為例，詳細介紹了基于譜分析短期分布的疲勞載荷譜產(chǎn)生方法、復雜結(jié)構(gòu)焊趾三維裂紋在波浪載荷下的應力強度因子計算方法，預報了結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴展壽命。
　?。?）采用改進的Paris模型，提出了一種裂紋擴展壽命預報快速計算的數(shù)值方法，推導了極限狀態(tài)方程，并結(jié)合Monte Carlo模擬，給出了基于斷裂力學的可靠性預報流程。以某大型集裝箱船船舯甲板為研究對象，對該處的表面裂紋進行了裂紋擴展壽命可靠性預報，并對不確定參數(shù)進行了討論。
　

6、　通過上述的研究，本文得出的主要結(jié)論如下：
　?。?）形狀參數(shù)對裂紋擴展具有重要影響，形狀參數(shù)越大，疲勞壽命越短。各個船級社對同一條船舶的同一個疲勞熱點位置所計算得到的形狀參數(shù)差別較大，這必然導致所預報的裂紋擴展壽命存在差異。
　?。?）在本文提出基于譜分析產(chǎn)生疲勞載荷譜的兩種方法中，第一種方法由于擬合 Weibull兩參數(shù)的過程中，擬合本身與擬合之前就存在一定誤差，這導致裂紋擴展也會出現(xiàn)誤差，因此，本文推薦基于譜分析的短期

7、分布來產(chǎn)生船海結(jié)構(gòu)物波浪誘導的疲勞載荷譜。
　　（3）通過對簡單結(jié)構(gòu)表面裂紋應力強度因子的計算和對比，驗證了本文所推薦應力強度因子計算方法的合理性與準確性。通過計算某半潛式鉆井平臺典型肘板焊趾結(jié)構(gòu)表面裂紋應力強度因子幅，并經(jīng)驗公式結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗公式只能適用于特定的邊界約束。因此，對于海洋結(jié)構(gòu)物而言，在計算三維應力強度因子幅時考慮波浪外載荷作用下結(jié)構(gòu)應力響應特點是必要的，而本文推薦的有限元法為此提供了思路。
　?。?）將本

8、文推薦的快速計算方法與逐周循環(huán)(cycle-by-cycle)的方法進行對比，驗證了數(shù)值方法的準確性和快速性。此外，載荷的不確定性對可靠性的影響最大，其次是裂紋擴展模型中的Paris常數(shù)，而本文采用的改進型Paris模型，能夠減小Paris常數(shù)C的分散性，體現(xiàn)了該模型的優(yōu)越性。初始裂紋尺寸的不確定性對可靠性結(jié)果的影響較大，而最終裂紋尺寸影響較小，可靠性預報時，可以將最終裂紋尺寸看做是確定量。
　　總的來說，本文在基于斷裂力學的疲勞