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含裂纹损伤船体结构强度分析方法研究

陈景杰  
【摘要】:裂纹损伤是船舶与海洋结构物等大型焊接结构中不可避免的损伤形式之一,对含裂纹损伤构件的安全状态评估是确保结构安全运行的关键。掌握描述裂纹损伤强度的性能参量—裂纹尖端应力强度因子、塑性区尺寸及裂纹尖端张口位移值和描述结构抗断裂能力参量—断裂韧性是准确评估含裂纹损伤构件安全状态的必要条件。本文基于断裂力学理论,通过有限元数值计算,建立了裂纹最大张口位移和裂纹损伤强度性能参量之间的函数关系,建立了由冲击试验吸收能确定钢板断裂韧性的方法,为含裂纹结构损伤强度的评估提供依据。 本文所开展的主要工作以及结论归纳如下: (1)针对含有表面裂纹的有限平板模型,提出了确定拉弯复合载荷作用下平板构件裂纹深度方向的应力强度因子的简便计算方法。基于理论分析确定了裂纹最大张口位移与应力强度因子之间的函数关系,并在考虑多种因素影响的有限元数值计算结果分析的基础上,提出了不同影响因素下该函数关系对应的修正系数,建立了由表面裂纹最大张口位移直接确定裂纹深度方向应力强度因子的计算方法。 (2)在平板构件应力强度因子简便计算方法的基础上,提出了焊趾处含有表面裂纹的复杂构件应力强度因子的估算方法。考虑焊趾尺寸、曲面效应对应力强度因子的影响,分别提出与焊趾角度、裂纹深度比相关和与裂纹形状比、裂纹深度比相关的应力强度因子修正系数表达式,建立了适用于船舶与海洋结构物中典型的板板焊接构件和管节点构件的应力强度因子的简便方法。 (3)针对含有穿透裂纹的无限大平板模型,提出了裂纹尖端应力强度因子的简便计算方法。基于断裂力学理论,建立了裂纹最大张口位移与应力强度因子之间简便的函数关系,并通过有限元数值模拟考察了多种因素对函数关系的影响。该方法避免了裂纹尖端应力场的研究,消除了模型尺寸、裂纹形状、载荷形式、动静态加载方式和材料特性的影响,适用于任意加载方式下不同拉伸载荷形式的任何材料的有限平板构件。 (4)基于单裂纹模型计算应力强度因子思路,分析多裂纹构件裂纹间的相互作用,提出了确定多裂纹尖端应力强度因子的简便方法。针对共线和平行两种双裂纹形式,分别确定了裂纹间相互影响的范围,研究了裂纹垂向间距比、裂纹纵向间距比和裂纹长度比对应力强度因子的影响,提出了系列的应力强度因子修正系数的表达式。考察了任意双裂纹形式下修正系数的适用情况,应用复合法给出了建立了三条及三条以上多裂纹的应力强度因子的方法。 (5)提出了裂纹尖端塑性区尺寸和裂纹尖端张口位移的简便计算方法。基于弹塑性断裂力学理论分析,确定了裂纹尖端塑性区尺寸和裂纹尖端张口位移与裂纹最大张口位移之间存在着函数关系。采用无量纲数据处理技术,分析多种因素影响的有限元数值计算结果,建立了裂纹最大张口位移分别与裂纹尖端塑性区、裂纹尖端张口位移的函数关系。该方法消除了模型尺寸、裂纹长度、外加载荷、屈服极限、平面应变及材料硬化的影响,适用于任意材料的有限平板构件。 (6)基于材料冲击韧性与断裂韧性之间的内在联系,实现了根据夏比V型缺口冲击试验吸收能确定不同强度不同质量等级船用钢板断裂韧性的方法,分别建立了不同可靠度下与钢板厚度和使用温度相关的船用钢板的断裂韧性表达式,为船用钢板断裂韧性的确定奠定基础。考虑了不同质量等级钢板组合的止裂效果,提出A、D和A、E两种合理的组合形式,为不同质量等级船用钢板合理布置提供依据。


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