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海洋平台裂纹损伤柱壳的断裂特性及其承载能力研究

何书韬  
【摘要】:本文立足于海洋平台的工程背景,对裂纹损伤圆柱壳的断裂特性及承载能力问题进行了研究,为快速、合理、准确地评价海洋平台结构系统的整体承载能力提供了基础。对科学地制定保护维修方案,有效地进行裂纹控制,最大限度地发挥结构整体潜能和充分延长平台的服役年限,具有重要的意义。本文从理论分析、有限元数值仿真和实验研究三方面对这一问题进行了研究。 首先,针对周向穿透裂纹位于固定端的圆柱壳,基于Sanders半膜力理论及Dugdale模型,推导了在拉弯组合载荷条件下的弹塑性解,采用裂纹尖端张开位移(CTOD)和裂纹尖端张开角度(CTOA)分别作为控制裂纹起裂和扩展的断裂参数,进一步推导出其在拉弯组合载荷条件下的处理裂纹扩展的弹塑性解。该解涵盖了静止裂纹、裂纹稳定扩展直至塑性破坏的全过程,弥补了目前缺乏针对这类问题的理论解析解的不足。 接着,针对周向表面裂纹位于固定端的圆柱壳,利用线弹簧模型,得到了其在轴拉载荷条件或弯曲载荷条件下的线弹性解,并给出了相应的表面裂纹前缘的应力强度因子的计算公式。结果表明,对于圆柱壳中的较长裂纹,裂纹前缘最深点处的应力强度因子对裂纹前缘的形状并不敏感。 随后,利用三维弹塑性有限元,对不同约束条件下受不同载荷作用的周向表面裂纹圆柱壳进行了系列计算,获得了一些表面裂纹截面的应力分布及塑性长度变化的规律性结果。并在此基础上,利用线弹簧模型和Dugdale模型,建立了适用于条状细长表面裂纹的弹塑性线弹簧模型,然后结合Sanders穿透裂纹的解析解,得到小范围屈服下的弹塑性解,最后给出表面裂纹前缘张开位移CTOD的计算公式。 在接下来的研究中,针对含周向穿透裂纹损伤的圆柱壳,利用已有的关于弹塑性裂纹及裂纹扩展的理论解析解,通过系列计算,探讨裂纹截面的约束条件、裂纹初始长度、圆柱壳直径板厚比、材料的临界CTOD、临界CTOA.屈服应力及杨氏模量等参数对极限强度的影响,并就其对各参数的敏感度作了相应的分析。同时提出极限强度损失系数κ、强度冗余系数λ及裂纹剩余扩展长度ξ等无因次参数,并以此对由裂纹扩展所引起的结构承载能力的变化给出定量地评价。结果表明,对于含裂纹损伤的圆柱壳,在小几何比例尺度下通过计算或实验获得的极限强度是偏于危险的,不能直接运用至大几何比例尺度的实际工程结构中。对于海洋平台中的圆柱壳结构,由几何尺度所引起的裂纹起裂后的承载能力的上升效果是不能忽略的。在评估裂纹损伤对结构极限强度的影响,须着重考虑裂纹初始长度和材料屈服应力的影响。 紧接着,针对含周向穿透裂纹损伤的管件,在受弯曲载荷的作用下,以自由支持、不同的弹性约束和刚性固定作为约束条件,进行了承载能力的实验研究。为进一步的理论研究提供了必要的实验依据。 最后,在理论解析的基础上,研究开发了可用于裂纹损伤结构系统整体计算的新的弹塑性穿透裂纹单元、线弹性表面裂纹单元和小范围屈服条件下的弹塑性表面裂纹单元,为实现裂纹损伤结构系统的整体分析奠定了理论基础。


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