疲勞裂紋擴展及基于風險的檢測維修計劃制定研究.pdf

1、船舶與海洋結構物的疲勞問題是造成結構物失效破壞的主要因素之一。因此，如何更為有效地預報疲勞裂紋在結構中的萌生與擴展，了解裂紋在結構中的擴展對結構強度與可靠性的影響，以及如何制定合理的關于疲勞裂紋的檢測與維修計劃，是當前船舶與海洋工程領域的研究熱點。本文系統(tǒng)地研究了以上提到的問題，為有效地降低結構因疲勞而破壞的風險提供依據與辦法。 本文的主要內容如下： 1) 通過對船舶典型三維節(jié)點結構的疲勞試驗數據進行處理分析，研究穩(wěn)定擴

2、展期的疲勞裂紋擴展規(guī)律，建立疲勞裂紋擴展的動態(tài)模型，指出裂紋尺寸的對數值是服從隨載荷循環(huán)次數變化的正態(tài)分布，其分布的均值和方差是循環(huán)次數的線性函數。均值與循環(huán)次數成正比例，方差與循環(huán)次數成反比例，均值與方差之間亦成反比例． 2) 將得到的裂紋擴展動態(tài)模型應用于某平臺圍井區(qū)結構的疲勞裂紋擴展壽命分析。采用概率統(tǒng)計的理論和容限分析的方法，確定裂紋的初始尺寸和臨界尺寸；采用剩余強度干涉模型建立某平臺主體結構裂紋區(qū)域的疲勞裂紋擴展可靠性

3、動態(tài)模型；根據裂紋長度的檢測值，利用貝葉斯方法，對裂紋擴展規(guī)律和結構疲勞裂紋擴展可靠性進行了修正。通過計算，指出由于試驗構件與實際結構在結構形式、尺度和服役環(huán)境等方面的差異，所以實驗所獲得的裂紋擴展規(guī)律難于直接應用于工程實踐。當將實驗獲得的規(guī)律應用于工程實踐時，應當采用適當的方法，利用已有的檢測資料對規(guī)律進行相應的修正。 3) 對比疲勞裂紋萌生壽命預報的兩種主要方法：S—N曲線法和局部應力—應變法，對試驗構件的裂紋萌生壽命進行計

4、算，基于比較結果指出：在構件出現明顯局部屈服現象時，結構的局部屈服和平均應力對裂紋萌生壽命影響較大；對這種萌生于塑性區(qū)的裂紋進行萌生壽命的預報，局部應力一應變法可以反映局部屈服的作用和平均應力的影響，給出比S—N曲線法更為準確的結果。 4) 應用線彈性斷裂力學的理論，利用成熟有限元軟件MSC—NASTRAN對疲勞裂紋在擴展階段的路徑與壽命進行研究。指出在雙向應力作用下，裂紋在擴展的初級階段有角度上的變化。裂紋的這種擴展路徑的變化

5、，會減輕裂紋尖端雙向應力狀態(tài)的影響，因此，裂紋經一段時間的擴展后，路徑將變得比較穩(wěn)定，基本呈直線狀態(tài)。 5) 研究船舶結構中多條裂紋的擴展造成的船舶結構總縱強度可靠性隨時間的衰減，通過對實船在一次航程內遭遇極限海況，造成甲板與船底縱骨中存在的裂紋快速擴展和船舶在全壽命期內剖面中裂紋擴展對船舶抗損能力的影響計算，指出在船舶使用過程中有必要根據疲勞可靠性的變化，安排針對疲勞裂紋擴展狀態(tài)的檢測維修工作。 6) 引入風險分析的