海洋平臺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的工程背景，對裂紋損傷圓柱殼的斷裂特性及承載能力問題進行了研究，為快速、合理、準確地評價海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體承載能力提供了基礎(chǔ)。對科學(xué)地制定保護維修方案，有效地進行裂紋控制，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)值仿真和實驗研究三方面對這一問題進行了研究。
　　首先，針對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展的斷裂參數(shù)，進一步推導(dǎo)出其在拉彎組合載荷條件下的處理裂紋擴展的彈塑性解。該解涵蓋了靜止裂紋、裂紋穩(wěn)定擴展直至塑性破壞的全過程，彌補了目前缺乏針對這類問題的理論解析解的不足。
　　接著，針對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)力強度因子的計算公式。結(jié)果表明，對于圓柱殼中的較長裂紋，裂紋前緣最深點處的應(yīng)力強度因子對裂紋前緣的形狀并不敏感。
　　隨后，利用三維彈塑性有限元，對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行了系列計算，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的計算公式。
　　在接下來的研究中，針對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展的理論解析解，通過系列計算，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)對極限強度的影響，并就其對各參數(shù)的敏感度作了相應(yīng)的分析。同時提出極限強度損失系數(shù)κ、強度冗余系數(shù)λ及裂紋剩余擴展長度ξ等無因次參數(shù)，并以此對由裂紋擴

5、展所引起的結(jié)構(gòu)承載能力的變化給出定量地評價。結(jié)果表明，對于含裂紋損傷的圓柱殼，在小幾何比例尺度下通過計算或?qū)嶒灚@得的極限強度是偏于危險的，不能直接運用至大幾何比例尺度的實際工程結(jié)構(gòu)中。對于海洋平臺中的圓柱殼結(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。在評估裂紋損傷對結(jié)構(gòu)極限強度的影響，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