海洋平臺(tái)裂紋損傷柱殼的斷裂特性及其承載能力研究.pdf

1、本文立足于海洋平臺(tái)的工程背景，對(duì)裂紋損傷圓柱殼的斷裂特性及承載能力問題進(jìn)行了研究，為快速、合理、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體承載能力提供了基礎(chǔ)。對(duì)科學(xué)地制定保護(hù)維修方案，有效地進(jìn)行裂紋控制，最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體潛能和充分延長平臺(tái)的服役年限，具有重要的意義。本文從理論分析、有限元數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究三方面對(duì)這一問題進(jìn)行了研究。
　　首先，針對(duì)周向穿透裂紋位于固定端的圓柱殼，基于Sanders半膜力理論及Dugdale模型，推導(dǎo)了

2、在拉彎組合載荷條件下的彈塑性解，采用裂紋尖端張開位移(CTOD)和裂紋尖端張開角度(CTOA)分別作為控制裂紋起裂和擴(kuò)展的斷裂參數(shù)，進(jìn)一步推導(dǎo)出其在拉彎組合載荷條件下的處理裂紋擴(kuò)展的彈塑性解。該解涵蓋了靜止裂紋、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展直至塑性破壞的全過程，彌補(bǔ)了目前缺乏針對(duì)這類問題的理論解析解的不足。
　　接著，針對(duì)周向表面裂紋位于固定端的圓柱殼，利用線彈簧模型，得到了其在軸拉載荷條件或彎曲載荷條件下的線彈性解，并給出了相應(yīng)的表面裂紋前緣的

3、應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算公式。結(jié)果表明，對(duì)于圓柱殼中的較長裂紋，裂紋前緣最深點(diǎn)處的應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)裂紋前緣的形狀并不敏感。
　　隨后，利用三維彈塑性有限元，對(duì)不同約束條件下受不同載荷作用的周向表面裂紋圓柱殼進(jìn)行了系列計(jì)算，獲得了一些表面裂紋截面的應(yīng)力分布及塑性長度變化的規(guī)律性結(jié)果。并在此基礎(chǔ)上，利用線彈簧模型和Dugdale模型，建立了適用于條狀細(xì)長表面裂紋的彈塑性線彈簧模型，然后結(jié)合Sanders穿透裂紋的解析解，得到小范圍屈服下的彈塑

4、性解，最后給出表面裂紋前緣張開位移CTOD的計(jì)算公式。
　　在接下來的研究中，針對(duì)含周向穿透裂紋損傷的圓柱殼，利用已有的關(guān)于彈塑性裂紋及裂紋擴(kuò)展的理論解析解，通過系列計(jì)算，探討裂紋截面的約束條件、裂紋初始長度、圓柱殼直徑板厚比、材料的臨界CTOD、臨界CTOA、屈服應(yīng)力及楊氏模量等參數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度的影響，并就其對(duì)各參數(shù)的敏感度作了相應(yīng)的分析。同時(shí)提出極限強(qiáng)度損失系數(shù)κ、強(qiáng)度冗余系數(shù)λ及裂紋剩余擴(kuò)展長度ξ等無因次參數(shù)，并以此對(duì)由裂紋擴(kuò)

5、展所引起的結(jié)構(gòu)承載能力的變化給出定量地評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，對(duì)于含裂紋損傷的圓柱殼，在小幾何比例尺度下通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得的極限強(qiáng)度是偏于危險(xiǎn)的，不能直接運(yùn)用至大幾何比例尺度的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中。對(duì)于海洋平臺(tái)中的圓柱殼結(jié)構(gòu)，由幾何尺度所引起的裂紋起裂后的承載能力的上升效果是不能忽略的。在評(píng)估裂紋損傷對(duì)結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響，須著重考慮裂紋初始長度和材料屈服應(yīng)力的影響。
　　緊接著，針對(duì)含周向穿透裂紋損傷的管件，在受彎曲載荷的作用下，以自由支持、不