具有裂紋損傷的船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度分析.pdf

1、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的準(zhǔn)確評估是船舶結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、制造和使用過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于船舶結(jié)構(gòu)在使用過程中可能遭遇到多種事故和損傷，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會顯著降低，甚至導(dǎo)致破壞，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和不利的影響。所以，為了提高船舶結(jié)構(gòu)的使用安全性和使用壽命，正確評估船舶結(jié)構(gòu)受到損傷之后的剩余極限強(qiáng)度越來越受到人們的關(guān)注。 近幾年來，船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的研究取得了很大的進(jìn)步，人們對結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的本質(zhì)及研究的必要性有了更加深入的認(rèn)識

2、，但是作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它目前仍處于初始發(fā)展階段，進(jìn)一步研究各種損傷形式對結(jié)構(gòu)極限承載能力的影響，建立合理的結(jié)構(gòu)損傷分析模型是船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的新方向。裂紋是大多數(shù)結(jié)構(gòu)最為常見的一種損傷缺陷，然而，由于含裂紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的復(fù)雜性以及剩余極限強(qiáng)度影響參數(shù)的多樣性，其剩余極限強(qiáng)度的評估方法與完整結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的評估方法有所不同。目前，這方面的系統(tǒng)研究較少，以分析裂紋問題為目的的斷裂力學(xué)理論還具有一定的局限性，并且研究結(jié)果很難直接應(yīng)用到工程

3、上。 因此，本文的目的是綜合分析當(dāng)前含裂紋結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度研究的概況，對含裂紋船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的評估方法做一較為深入系統(tǒng)的研究，綜合考察裂紋缺陷對典型船舶結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響，給出帶裂紋構(gòu)件的極限強(qiáng)度計(jì)算方法和合理的止裂及修復(fù)的工程建議，同時(shí)為復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)以及船體梁的剩余極限強(qiáng)度評估提供基礎(chǔ)。圍繞這一目的，本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作： (1)系統(tǒng)歸納和總結(jié)了含裂紋結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的研究方法和研究進(jìn)展；在吸收前人研

4、究成果的基礎(chǔ)上，找到合理地解決含裂紋船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度問題的彈塑性和全面屈服破壞分析方法； (2)用數(shù)值計(jì)算的方法對含單一裂紋的板的剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了無量綱參數(shù)化分析，考察了材料特性(包括屈強(qiáng)比、泊松比)、裂紋特征(包括長度、位置、與外應(yīng)力方向的夾角)、結(jié)構(gòu)幾何尺寸(包括厚寬比、長寬比)以及加載形式(包括均勻應(yīng)力和固定位移)對板的極限強(qiáng)度的影響，得到了包含多個(gè)影響參數(shù)的剩余極限強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

5、 (3)對含裂紋的加筋板的剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了無量綱參數(shù)化分析和計(jì)算，考慮了加筋板上的三種缺陷形式，即板和筋上的垂直裂紋，板和筋上的傾斜裂紋，以及板上的裂紋和筋上的半圓孔。對板和筋上的相對裂紋長度、材料屬性、板和筋的厚度、裂紋與外應(yīng)力夾角以及圓孔的直徑等影響參數(shù)進(jìn)行了分析。同時(shí)，將無加筋平板剩余極限強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式推廣到加筋板，并驗(yàn)證了修正公式的有效性。 (4)對含典型多裂紋(MSD)缺陷的板和加筋板的剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了討

6、論，分析了干擾裂紋對主導(dǎo)裂紋的干擾性及其對板的剩余極限強(qiáng)度的影響；其中，考慮了干擾裂紋的兩種形式，即平行于主導(dǎo)裂紋和與主導(dǎo)裂紋呈一定角度的干擾裂紋，同時(shí)分析了干擾裂紋與主導(dǎo)裂紋的相對位置的影響；考察了能夠引起板剩余極限強(qiáng)度明顯下降的干擾裂紋的位置，為建立合理的含多裂紋結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的隨機(jī)評估體系奠定了基礎(chǔ)； (5)基于應(yīng)變能密度因子理論對復(fù)合型裂紋的初始擴(kuò)展角度進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上討論了在裂紋尖端區(qū)域增加補(bǔ)強(qiáng)板進(jìn)行止裂的效果

7、，考察了補(bǔ)強(qiáng)板相對復(fù)合型裂紋尖端的位置以及補(bǔ)強(qiáng)板的剛度對止裂效果的影響，給出了合理的止裂和修復(fù)的工程建議； (6)結(jié)合現(xiàn)有的復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)和船體梁極限強(qiáng)度評估方法，介紹了將以上分析結(jié)論應(yīng)用到復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)以及船體梁的剩余極限強(qiáng)度評估中的基本方法。 通過本文的研究工作可以得出如下有價(jià)值的結(jié)論： (1)板的剩余極限強(qiáng)度受屈強(qiáng)比影響很大，幾乎不受泊松比的影響；剩余極限強(qiáng)度隨裂紋長度的衰減趨勢可以分為兩部分，裂紋較小時(shí)可以近

8、似為指數(shù)衰減，裂紋較長時(shí)近似為線性衰減；而剩余極限強(qiáng)度隨裂紋與外應(yīng)力央角以正弦趨勢變化；裂紋偏心程度增大時(shí)板的剩余極限強(qiáng)度明顯下降；板承受邊界均布應(yīng)力作用時(shí)，剩余極限強(qiáng)度隨著長寬比的增大迅速增大，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)值；而當(dāng)邊界載荷條件為固定位移條件時(shí)，變化趨勢恰好相反，板長寬比較小時(shí)的剩余極限強(qiáng)度較大，隨著長寬比的逐漸增大，剩余極限強(qiáng)度迅速減小直到達(dá)到與均布應(yīng)力條件下相同的穩(wěn)定值。 (2)裂紋長度、傾角、材料屈強(qiáng)比以及筋上開

9、孔的大小都對加筋板的剩余極限強(qiáng)度有著顯著的影響；對于理想彈塑性材料，可以較為合理地考慮凈截面屈服的破壞模式，通過折減裂紋所占有的橫截面積來估算加筋板的剩余極限強(qiáng)度；當(dāng)板和筋上均具有裂紋時(shí)，加筋板可以簡化為一個(gè)具有一定長度裂紋的等效平板，但是等效裂紋長度相同時(shí)，板和筋上不同的相對裂紋長度組合會在一定程度上影響加筋板的剩余極限強(qiáng)度；筋上較小的開孔能夠使裂紋對加筋板極限強(qiáng)度的削弱程度降低。 (3)多裂紋存在時(shí)，主導(dǎo)裂紋附近的干擾裂紋將

10、影響主導(dǎo)裂紋尖端的應(yīng)力分布，但是在一定位置和長度下也可能降低主導(dǎo)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子；干擾裂紋長度及其與主導(dǎo)裂紋中心的距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，才對板的剩余極限強(qiáng)度產(chǎn)生影響；在影響區(qū)域內(nèi)，干擾裂紋將影響主導(dǎo)裂紋尖端塑性區(qū)，緩慢加載時(shí)，兩裂紋在塑性區(qū)連通后可以近似看作一條長裂紋，此時(shí)板的剩余極限強(qiáng)度明顯下降；當(dāng)干擾裂紋逐漸遠(yuǎn)離主導(dǎo)裂紋，其對主導(dǎo)裂紋的影響逐漸消失，對板的失效起著決定作用的是主導(dǎo)裂紋兩端的塑性區(qū)，此時(shí)，干擾裂紋的影響可以忽略；因

11、此多條干擾裂紋存在時(shí)，評估板的剩余極限強(qiáng)度時(shí)可以將沒有影響的干擾裂紋忽略。本文對主導(dǎo)裂紋相對板寬的長度為0.4、干擾裂紋相對主導(dǎo)裂紋的長度為0.25的裂紋分布位置對板剩余極限強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析，指出了影響板剩余極限強(qiáng)度的干擾裂紋中心位置區(qū)域(干擾裂紋中心與主導(dǎo)裂紋中心橫向距離大于0.3倍板寬，縱向距離小于0.6倍板寬)。 (4)根據(jù)應(yīng)變能密度因子理論，可以通過做出應(yīng)變能密度因子相對裂尖局部坐標(biāo)下傾角的變化曲線獲得裂紋的初始擴(kuò)展

12、角度；有限元計(jì)算能夠得到隨著載荷增加的彈塑性裂尖周圍應(yīng)變能密度變化趨勢，從而反映塑性條件下裂尖附近的能量分布特征；對于板上含有裂紋的加筋板，板上裂紋由于受到加強(qiáng)筋的影響，裂紋面的張開位移比相同應(yīng)力水平下單獨(dú)平板的同參數(shù)裂紋的裂紋面張開位移要小，但是當(dāng)筋上的裂紋尺寸增大時(shí)，板上裂紋應(yīng)力迅速增大，因此工程結(jié)構(gòu)中要盡量避免筋上裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；相同載荷作用下，在靠近裂紋尖端的部分加補(bǔ)強(qiáng)板，能夠分流裂紋尖端的應(yīng)力場強(qiáng)度，降低裂尖的應(yīng)力變化梯度，

13、從而減小裂紋的危險(xiǎn)性；補(bǔ)強(qiáng)板的修復(fù)作用與其位置有關(guān)，越靠近裂紋尖端其修復(fù)作用越好，而其角度位置應(yīng)該在裂紋的初始擴(kuò)展角度附近，且剛度較大的補(bǔ)強(qiáng)板的修復(fù)作用較好，但是當(dāng)剛度增大到一定值時(shí)，修復(fù)作用會趨于穩(wěn)定；補(bǔ)強(qiáng)板尤其適用于不能使用止裂孔的水下區(qū)域結(jié)構(gòu)的暫時(shí)止裂。 總之，用數(shù)值分析方法能夠合理地分析裂紋對結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的作用，分析表明，裂紋的存在極大地削弱了結(jié)構(gòu)的剩余極限強(qiáng)度，裂紋的影響在工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估中應(yīng)該受到足夠的重視。同時(shí)