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基于张开位移的管节点裂纹应力强度因子评估

王业伟  
【摘要】: 管节点作为一种典型的支撑结构已被广泛应用于海洋平台结构中。由于常年承受风浪流等交变载荷作用,管节点通常在焊缝处率先出现表面疲劳裂纹,是海洋平台发生疲劳破坏的最薄弱部位。基于应力强度因子的断裂力学估算法是对损伤结构进行剩余寿命估算的一种合理方法,因此,对管节点焊趾部位表面裂纹应力强度因子的精确计算是进行平台结构剩余寿命评估的基础。准确而快速地评估出管节点焊趾部位表面裂纹应力强度因子对于我们解决工程实际问题具有重要的意义。 表面裂纹开口位移可以通过实验检测方法获得。本文建立海洋平台管节点处表面裂纹的开口位移、裂纹尺寸、管节点几何尺寸和应力强度因子之间的数学关系,根据实验检测数据,能够直接估算表面裂纹的应力强度因子。本文的主要内容包括以下几个方面: 首先,对本论文的研究背景做了简要的介绍,并回顾了裂纹的检测技术、提出了本文研究的内容。第二章主要介绍了断裂力学的基本概念以及计算裂纹应力强度因子的方法。作为本文的重点之一,第三章针对典型K型管节点论述了怎样建立表面裂纹有限元模型。在基本假设基础上,对裂纹尖端单元的大小和整体网格的精度进行了研究。第四章中重点论述了参考不同管节点形状尺寸和裂纹尺寸参数的情况下进行大量数值计算,并用BP神经网络预测出管节点应力强度因子与其裂纹长度和开口位移以及管节点几何尺寸之间的映射关系,从而根据裂纹开口位移直接快速估算出管节点表面裂纹应力强度因子。 计算结果表明,本文提出的方法具有很高的精度,与传统的利用裂纹尖端奇异元计算应力强度因子的方法相比,计算结果相差不到1%。本文的方法经济、简单,在工程上具有很好的应用前景。


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