基于累積遞增塑性破壞的船體板低周疲勞強(qiáng)度研究.pdf

1、船舶結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度對(duì)船舶的安全性和生命力有著十分重要的意義。目前船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的研究開(kāi)展較多的主要是高周疲勞，成果及應(yīng)用也基本是針對(duì)高周疲勞的。近年來(lái)隨著船舶主尺度的不斷加大，采用的高強(qiáng)度鋼越來(lái)越多，船舶結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力及變形也越來(lái)越大，使得大型船舶結(jié)構(gòu)的低周疲勞損傷問(wèn)題顯得十分突出，成為大型化船舶發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。研究分析表明，大多船體結(jié)構(gòu)的斷裂破壞往往是低周疲勞破壞與遞增塑性破壞兩種破壞模式耦合作用的結(jié)果。因此，基于累積遞

2、增塑性破壞的結(jié)構(gòu)低周疲勞分析能夠更為符合實(shí)際地評(píng)估船體結(jié)構(gòu)的低周疲勞斷裂。本文從理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究三方面對(duì)船體缺損板低周疲勞壽命開(kāi)展了研究。
　　首先，基于累積遞增塑性破壞理論建立了船體缺口板低周疲勞裂紋萌生壽命的理論解。結(jié)合Newton-Raphson迭代法推導(dǎo)了低循環(huán)高應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)載荷下的船體缺口板缺口根部的累積遞增塑性變形，并求得了船體缺口板在累積遞增塑性破壞下的切線剛度理論解。另外，在低周疲勞裂紋萌生至臨界長(zhǎng)度

3、階段中，運(yùn)用短裂紋理論對(duì)缺口根部疲勞應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了理論修正，體現(xiàn)了短裂紋的出現(xiàn)對(duì)船體缺口板低周疲勞裂紋萌生壽命的影響。同時(shí)，采用具有特征缺口半徑和低周疲勞裂紋長(zhǎng)度的船體缺陷試樣開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)，對(duì)低周疲勞載荷作用下船體缺口板的累積遞增塑性變形規(guī)律及疲勞裂紋萌生壽命進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在低周疲勞裂紋萌生壽命分析中，通過(guò)引入短裂紋的影響對(duì)缺口根部疲勞應(yīng)力集中系數(shù)的理論修正，全面考慮了缺口根部的累積遞增塑性破壞和短裂紋影響的低周疲勞裂紋萌生壽命。結(jié)果

4、表明本文理論分析方法更能接近實(shí)驗(yàn)值。同時(shí)也對(duì)不同平均應(yīng)力及應(yīng)力幅下的船體缺口板缺口根部累積遞增塑性破壞變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得到有價(jià)值的理論分析結(jié)果。
　　其次，通過(guò)理論分析提出了船體缺口裂紋板低周疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)模型、并進(jìn)行了驗(yàn)證對(duì)比研究。同時(shí)對(duì)船體缺口裂紋板在常幅低周疲勞載荷作用下裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了理論研究分析，得到了疲勞裂紋尖端存在著的累積遞增塑性破壞的變化機(jī)理和影響因素。研究中通過(guò)在常幅低周疲勞加載中引入單個(gè)拉伸/

5、壓縮過(guò)載形式，研究了變幅載荷下低周疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)模型的適用性。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究途徑，發(fā)現(xiàn)提出的預(yù)測(cè)模型能很好的預(yù)估不同加載條件和過(guò)載類型的變幅低周疲勞載荷作用下(包括常幅和變幅載荷)，船體裂紋板疲勞裂紋擴(kuò)展速率和壽命。通過(guò)與裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，各種條件下的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)均十分吻合，能夠定量的預(yù)測(cè)過(guò)載引起的各個(gè)階段的低周疲勞裂紋擴(kuò)展速率。
　　研究表明，在低周疲勞載荷作用下裂紋尖端存在明顯的累積遞增塑性破壞現(xiàn)

6、象，以及其對(duì)低周疲勞壽命的重要影響。因此，基于裂紋尖端累積遞增塑性破壞對(duì)低周疲勞載荷作用下中心穿透裂紋板以及三維表面裂紋板CTOD進(jìn)行了研究，為合理評(píng)估帶裂紋損傷的船體板的斷裂韌性提供了新的評(píng)估方法和技術(shù)手段。
　　本研究工作基于累積遞增塑性對(duì)船體低周疲勞強(qiáng)度全面開(kāi)展理論、實(shí)驗(yàn)及數(shù)值分析研究，所得研究結(jié)果可以更確切地分析評(píng)估船體在極值海況下的低周疲勞破壞，為評(píng)估船體結(jié)構(gòu)的低周疲勞強(qiáng)度理論分析與應(yīng)用提供理論依據(jù)及可靠的分析方法，為疲