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基于裂纹扩展的海洋结构物安全寿命评估方法研究

张鼎  
【摘要】:疲劳是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一。到目前为止,各国船级社、船厂等所采用的疲劳强度评估方法主要是基于S-N曲线和线性累积疲劳损伤的方法,即CFD(Cumulative Fatigue Damage)法。但是,CFD法存在很多不足,许多影响疲劳寿命的因素,如初始缺陷、载荷次序效应等,都没有显式考虑,疲劳分析结果分散度大,且疲劳评定结果难以用无损探伤方法进行检验。同时大型集装箱船等海洋结构物部分建造用高强度钢的屈服强度已超过了疲劳强度规范中对材料的屈服强度小于400MPa的要求。从本质上说,按照目前的船舶与海洋工程结构物的疲劳规范计算的结果只是相对的参照值。CFD法对于老龄船舶和海洋结构物的疲劳评定结果更是不可靠。 越来越多的人已经意识到了疲劳裂纹扩展理论FCP(Fatigue Crack Propagation)的重要性。用FCP方法可以很容易地解释载荷顺序作用的影响,并且可以准确定义疲劳失效的初始和最终状态,同时评估结果可用无损方法进行检验和检测。鉴于此,本文基于疲劳裂纹扩展理论,对复杂载荷作用下海洋结构物的安全寿命评估方法进行了研究,主要工作包括: (1)分别介绍了课题组提出的统一疲劳裂纹扩展模型和单一裂纹扩展率曲线模型的基本表达形式及典型焊接结构焊趾裂纹应力强度因子计算方法。 (2)将统一疲劳裂纹扩展模型与焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨了复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法;预报了潜艇锥柱结合壳焊缝焊趾处表面裂纹在三种典型载荷谱下的疲劳裂纹扩展情况。 (3)将风暴模型和裂纹扩展率单一曲线模型及焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨了复杂载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展预报方法;对一船舶甲板焊接接头焊趾处表面裂纹在风暴波浪载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为进行了预报。 (4)将基于船级社规范的疲劳校核应力计算方法和裂纹扩展率单一曲线模型及焊趾裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,结合失效评估图技术,探讨了复杂载荷作用下集装箱船高强度厚钢板安全寿命评估方法。对一高强度厚钢板(材料为YP47)裂纹缺陷在复杂载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为进行了预报;并采用等效应力法将船舶受到的随机外载荷转换为等幅疲劳载荷,分别对8530TEU集装箱船上甲板焊接接头处常见的表面裂纹缺陷和埋藏裂纹缺陷在复杂载荷作用下的疲劳寿命进行了评估。


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