船體結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展及其可靠性分析直接計算法研究.pdf

1、隨著船舶大型化及高強度鋼在船體結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，船體結(jié)構(gòu)疲勞強度評估顯得尤為突出。目前，國內(nèi)外對船舶疲勞強度的研究工作主要集中在如何預(yù)防裂紋的產(chǎn)生上，對產(chǎn)生裂紋后的結(jié)構(gòu)研究較少。因此，各船級社的疲勞強度校核主要是基于S-N曲線的累積損傷方法，但其存在著一些難以克服的缺陷，如：預(yù)報結(jié)果離散性大，不能對含裂紋結(jié)構(gòu)的擴展路徑及剩余疲勞壽命進行預(yù)測。隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，以疲勞裂紋擴展為基礎(chǔ)的預(yù)測方法已成為疲勞問題的研究熱點。
　　本文對含

2、裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估問題開展了一系列研究，開發(fā)了疲勞裂紋擴展程序 FCG-System，能夠?qū)鸭y平板及加筋板結(jié)構(gòu)中單裂紋及多裂紋進行疲勞裂紋擴展特性分析；以此為基礎(chǔ)，結(jié)合可靠性理論，開展了概率疲勞壽命評估研究，旨在提出含裂紋船體結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴展分析和評估方法。
　　首先，基于ABAQUS及腳本語言python，結(jié)合疲勞和斷裂力學(xué)開發(fā)裂紋自動擴展的通用程序 FCG-System。提出了網(wǎng)格自動劃分方法，建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)任意裂紋

3、擴展自動建模技術(shù)與參數(shù)化處理模塊，為含裂紋結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展特性分析提供了技術(shù)保障。
　　在此基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬裂紋閉合法，開發(fā)了含裂紋平板任意疲勞裂紋擴展分析模塊。對含裂紋平板中單一裂紋擴展和多裂紋同時擴展的疲勞斷裂特性進行分析，并與文獻結(jié)果對比，驗證了該方法及其程序的準(zhǔn)確性及有效性。此外，對含非共線中心裂紋的方形板進行系統(tǒng)研究，探討了不同位置的干擾裂紋擴展特性，及干擾裂紋對基礎(chǔ)裂紋尖端應(yīng)力強度因子的干擾規(guī)律。
　　隨后，針對

4、船體加筋板結(jié)構(gòu)線狀裂紋，提出了殼體單元的虛擬裂紋閉合法公式。在前述疲勞裂紋擴展模擬技術(shù)框架下，結(jié)合殼體單元虛擬裂紋閉合法，進一步開發(fā)了適用于船體結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展分析的模塊。為了有效地模擬大型結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋擴展，將子結(jié)構(gòu)技術(shù)整合到程序中模擬裂紋擴展區(qū)以外的其他區(qū)域。隨后對加筋板結(jié)構(gòu)中單一裂紋擴展和多裂紋同時擴展的疲勞斷裂特性分析，驗證了該方法及程序的準(zhǔn)確性及有效性，并對網(wǎng)格的不敏感性進行驗證。然后，對油船船體縱骨與橫艙壁的連接節(jié)點處四種常

5、用典型節(jié)點進行分析，研究其在側(cè)面壓力和軸向拉力作用下扶強材、軟趾、防傾肘板及背肘板對疲勞裂紋擴展路徑及其壽命的影響。
　　最后，進一步考慮材料參數(shù)、幾何參數(shù)和荷載參數(shù)等隨機性的影響，對含裂紋結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展可靠性進行分析。通過增加新的樣本點構(gòu)造高精度響應(yīng)面逐步逼近極限狀態(tài)函數(shù)的方法，將 Kriging改進響應(yīng)面法與 MC法結(jié)合起來，構(gòu)造基于 Kriging改進響應(yīng)面的可靠度分析方法。并通過三個數(shù)值算例驗證了 Kriging改進響應(yīng)