FPSO节点焊趾处的裂纹修理形状研究

对焊缝处出现的裂纹进行修理以阻止其进一步扩展,能够有效地延长FPSO焊接结构的疲劳寿命.考虑到应力集中而造成的疲劳寿命的降低,要谨慎选取修理时所采用的形状和尺寸,避免在修理后产生的表面缺陷处出现过高的应力集中.文中旨在进行三维T型焊接节点焊趾处的裂纹修理分析,为了选取合理的修理切口,首先对不同几何形状和尺寸的二维焊接修理切口,如抛物线型和椭圆型等,进行了应力集中系数的计算,并与相类似尺寸的U型切口的计算结果进行了比较.结果表明,当切口的表面半宽长于其深度时,椭圆型的裂纹修理切口具有更低的应力集中系数.随后,选择应力集中较小的椭圆型和U型切口焊接修理形状,并采用更加精确的三维有限元分析方法进行分析,给出了通过打磨等修理方式消除裂纹后得到的三维表面缺陷的应力集中系数,为工程上焊趾处裂纹的修理提供决策依据.     

考虑焊接残余应力释放的结构疲劳寿命分析方法研究

焊接残余应力对于焊接结构的疲劳寿命产生很显著的影响,同时循环载荷作用下焊接残余应力会出现释放现象,因此有必要对焊接件疲劳寿命预测方法进行研究.基于改进的McEvily疲劳裂纹扩展速率模型,同时结合课题组研究得到的AH36钢对接焊平板残余应力释放计算公式,提出考虑焊接残余应力释放的结构物疲劳寿命计算方法.随后,以潜艇锥柱耐压壳的疲劳为例,详细阐述了本文提出的疲劳寿命分析方法的计算流程.考虑耐压壳焊接顺序影响,分析了含半椭圆表面裂纹的锥柱耐压壳疲劳寿命.对比文献的试验结果,表明焊接结构疲劳寿命计算公式有较好的预测效果,可以用于评估带表面裂纹焊接件在拉伸循环载荷作用下的疲劳寿命.     

弯曲载荷作用下含切口T型节点表面裂纹应力强度因子计算

含裂纹修理切口T型节点的切口底部易于产生疲劳损伤,因而需要对该处新萌生的表面裂纹的疲劳寿命进行估算,以评判下次检修的时间.本文采用基于线弹性断裂力学的有限元方法,对弯曲载荷作用下于修理切口底部产生的表面裂纹最深处的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,对于同一类型节点,在相同裂纹深度下,裂纹底部的应力强度因子随着a/c的减小而增大.进而,根据修理切口的不同形状,给出了一组具有一定工程适用范围的回归公式.根据基于线弹性有限元计算结果得出的经验公式,对含修理切口T型节点切口底部萌生的表面裂纹扩展规律进行分析,得出了不同裂纹深长比下,裂纹深长增量比随裂纹深度的变化曲线.在数值计算的基础上,采用船用普通钢制备的试件,对切口底部萌生的表面裂纹进行试验研究,描述了在交变弯曲载荷作用下裂纹形貌的变化规律.试验结果表明,试验数据点与计算曲线相比,具有较高的一致性,验证了根据有限元计算结果提出的拟合公式的精度.     

船用钢T型接头焊趾选择优化研究

针对船体焊接构件焊趾处应力集中影响船艇结构寿命的问题,利用有限元软件建立船艇重要区域中内龙骨的有限元模型,在约束和载荷相同的情况下,对比分析不同焊趾形式及尺寸T型接头的应力分布和疲劳寿命。研究表明,对于陆军船艇而言,平面形焊趾形式应力集中程度较小,焊后加工方便,适合船艇修理实际要求;焊脚尺寸为4~6 mm的平面形焊趾形式的T型接头疲劳寿命最大,在船艇T型构件焊接时焊脚尺寸应选用此范围内。     

具初始裂纹钢桥梁焊接构件疲劳裂纹扩展和疲劳寿命计算

钢桥梁构件因焊接缺陷或者在疲劳应力交互作用下萌生裂纹,钢桥梁构件因存在初始裂纹大大地降低焊接构件的疲劳性能.文中考虑到焊接构件往往会存在初始缺陷,研究了含初始缺陷的桥梁焊接构件的疲劳分析方法.在已有的大量含裂纹构件的疲劳实验工作基础上,结合课题组所做的焊接构件疲劳实验资料,假设初始裂纹焊接构件在疲劳裂纹扩展过程中裂纹形状保持为半椭圆形状;针对桥梁构件实际受力特征,由钢桥梁构件的高周疲劳损伤演化方程入手,考虑初始裂纹条件下裂纹前缘的损伤区的存在及其对裂纹扩展的影响,采用虚拟裂纹扩张方法推导了适用于钢桥梁构件的疲劳裂纹扩展分析的疲劳裂纹扩展率公式,建议了裂纹扩展和疲劳寿命数值计算方法.采用文中的计算方法,研究了已有的钢桥梁结构焊接构件疲劳实验的裂纹扩展过程和疲劳寿命的计算.计算结果表明:裂纹的扩展过程中裂纹的深度和表面半长度之比a/c是一个变化的数值,且在一定的a0/t0条件下,随着a0/c0的增加,循环次数逐渐增大.     

带初始裂纹的潜艇典型焊接节点试件疲劳寿命分析

对带初始裂纹的潜艇典型焊接节点试件进行疲劳寿命有限元分析研究,并加工制造了典型焊接节点试件,对其进行疲劳试验,试验结果与数值分析结果基本吻合,说明对潜艇典型焊接结构的有限元应力分析、疲劳寿命分析的方法是正确可行的.     

含缺陷船体纵骨节点疲劳裂纹扩展寿命评估

船舶纵骨节点往往存在焊接缺陷,焊接缺陷将引发裂纹,大大降低构件的疲劳性能。本文基于断裂力学理论,将焊接缺陷等效成半椭圆型表面裂纹,采用FRANC3D和ABAQUS联合仿真的方法,研究带初始裂纹的船舶舭部纵骨与横舱壁连接节点裂纹的扩展寿命评估方法。分析了初始裂纹位置、形状、裂纹面角度对裂纹扩展寿命的影响规律。并根据纵骨节点试验中的初始缺陷的位置,采用此联合仿真方法模拟了裂纹扩展过程。结果表明初始裂纹位置、形状对扩展寿命影响较大,随着初始裂纹向腹板靠近,寿命变短,裂纹扩展寿命随着初始裂纹形状比的增大而增大。初始裂纹角度对疲劳寿命影响不明显,随着角度增大,寿命变长。通过对试验中初始缺陷的等效简化,在裂纹稳定扩展阶段,仿真得到的裂纹扩展寿命与试验结果吻合较好。     

基于焊接应力场的高强钢疲劳寿命研究

运用 ANSYS APDL 语言编程,对船用高强钢 T 型试件的焊接过程进行了模拟,得到了其焊接残余应力场的分布规律。以预应力的方式将其应力场施加到结构的疲劳寿命计算过程中,得到了结构在焊接残余应力影响下的疲劳寿命。并通过与实验数据进行对比,较为直观地反映焊接残余应力对疲劳寿命的影响。     

大型集装箱船高强度厚钢甲板安全寿命评估方法

疲劳是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一.高强度钢的应用使得结构的疲劳问题更加突出.对于采用以高强度厚钢板为甲板的大型集装箱船来说,有必要进行高强度厚钢板的焊接缺陷部位安全寿命评估方法研究.以应力范围的长期分布服从两参数Weibull分布的随机载荷为疲劳载荷,裂纹扩展率采用单一曲线模型预报裂纹在任意时刻的尺寸,结合应力强度因子并参考应力计算方法和失效评估图技术提出一套计算集装箱船高强度钢厚钢板安全寿命评估的方法.通过编制计算程序,对某集装箱船甲板进行安全寿命计算.最后,分析疲劳载荷谱对安全寿命的影响.计算结果表明：载荷回复期的长短和Weibull分布的形状参数的取值都会极大影响结构疲劳安全寿命.     

海洋结构物疲劳裂纹扩展寿命的一种工程预报方法

海洋结构物疲劳寿命的准确预报对海洋结构安全具有重要意义。基于裂纹扩展的寿命预报相比于常规的基于累积损伤理论的寿命预报方法,能够考虑载荷次序、初始缺陷等重要因素的影响,各大船级社极力推进裂纹扩展理论在海洋工程中的应用。文章从裂纹扩展法则、应力强度因子求解、疲劳载荷谱模拟上对裂纹扩展理论的工程应用进行研究,试图找出准确、合理且相对简单的方法。结合裂纹扩展的单一曲线模型、基于有限元子模型技术的应力强度因子求法以及基于谱分析的疲劳载荷谱产生方法,对某半潜式钻井平台典型焊接节点进行基于裂纹扩展疲劳寿命预报,并讨论了初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。结果表明,该半潜平台焊接结构符合设计寿命的要求,初始裂纹尺寸对疲劳寿命影响很大,可为海洋结构物基于裂纹扩展的疲劳寿命预报提供参考。     

FPSO立管平台支撑焊接裂纹修复

对浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)立管平台支撑焊接裂纹产生的原因进行分析,是由预热不足、装配时产生的拘束应力及焊后没有消氢处理所致.针对现场实际情况,从缺陷清除、焊材选择、预热、焊接中断、焊后消氢处理等方面阐述修复措施,成功地对裂纹进行...     

集装箱船舱口角隅应力集中系数的有限元分析的精度

集装箱船舱口角隅的应力集中是船舶结构强度的一个重要问题。随着有限元技术的发展，目前舱口角隅的应力集中系数大都可以通过有限元计算直接获得。由于有限元分析过程中存在着大量不确定性，通过控制其有限元分析各个步骤的质量来保证有限元分析的精度，已经成为一个重要的研究方向。本文利用现有有限元分析软件（ABAQUS），通过对不同模型简化方法的讨论，给出了正确计算舱口角隅结构应力集中系数的模型简化方法，并在此基础上讨论了网格尺度对应力集中系数的影响。     

基于残余应力释放的FPSO典型焊接接头的疲劳强度修正公式

由于浮式生产储油卸油船(FPSO)等船舶结构在服役前常常经历过较大的静载荷,这个预载荷常常会使焊接接头处较高的残余应力产生释放,同时船舶结构还承受着不断变化的波浪载荷,所以在估算FPSO等船舶结构典型焊接接头的疲劳强度时,需考虑残余应力释放的影响.该文通过有限元方法分析了在任意变幅循环载荷下,疲劳热点处的残余应力释放的规律,归纳出残余应力释放的大小与初始残余应力和外载荷之间的关系公式.然后,利用此公式对改进的疲劳估算公式进行修正,并且利用修正后的公式估算不同预载荷下典型焊接接头的疲劳强度,结果与试验结果棚符合.利用修正的改进公式可以更合理地对典型焊接接头在任意变幅循环载荷下的疲劳强度进行设计,同时也合理地解释了疲劳试验中以往不能被理解的结果.     

Stress concentration factors of multi-planar tubular KT-joints subjected to in-plane bending moments

Numerical research on the stress concentration factors (SCFs) in uniplanar tubular joints is abundantly reported in literature. However, it has been shown that SCF equations for uniplanar joints can lead to both under- or overestimation of the SCFs in multi-planar joints. In this paper, a parametric finite element study of 81 different three-planar KT joints subjected to five different in-plane bending loading conditions is performed. The effects of different non-dimensional geometrical parameters on the SCF values at the crown locations of the central and outer braces are studied. Based on nonlinear regression analyses of the finite element results, a new set of SCF equations is developed and presented.     

不同的裂纹尺寸对椭圆形裂纹应力强度因子影响的研究

针对平板椭圆形裂纹,提出了椭圆裂纹求解应力强度因子的解析解法,该方法是建立在弹性断裂理论及复变函数理论基础上的。文中针对椭圆裂纹,在具有不同的外荷载,以及不同的椭圆裂纹形状情况下,对应力强度因子进行较为全面的仿真分析。得到了应力强度因子和椭圆裂纹长短轴及所处位置,以及外荷载之间的关系变化的曲线。利用所建立的计算模型,可以非常迅速地求得不同几何参数情况下椭圆裂纹在复杂应力场中沿裂纹周边不同位置的应力强度因子。并对三种不同椭圆裂纹形状情况下的应力强度因子进行了分析和比较。     

含裂纹及腐蚀损伤FPSO结构剩余极限强度评估方法研究

裂纹及腐蚀损伤对于浮式生产储油卸油装置（FPSO）结构来说难以避免,这将削弱结构的极限强度,所以研究含裂纹及腐蚀损伤FPSO结构的剩余极限强度意义重大。目前针对裂纹及腐蚀损伤联合作用下FPSO结构剩余极限强度的研究相对欠缺,本文采用非线性有限元分析方法,研究了不同腐蚀及裂纹损伤组合形式下FPSO结构剩余极限强度的衰减规律。结果表明,腐蚀与裂纹损伤均导致极限强度线性衰减,并且腐蚀损伤对极限强度的影响远大于裂纹损伤。研究结果对FPSO结构的设计、维护与延寿具有一定的参考价值。     

双平面焊接圆管截面DKT节点的中心撑杆鞍点及冠点位置的应力集中系数(英文)

A set of parametric stress analyses was carried out for two-planar tubular DKT-joints under different axial loading conditions.The analysis results were used to present general remarks on the effects of the geometrical parameters on stress concentration factors(SCFs) at the inner saddle,outer saddle,and crown positions on the central brace.Based on results of finite element(FE) analysis and through nonlinear regression analysis,a new set of SCF parametric equations was established for fatigue design purposes.An assessment study of equations was conducted against the experimental data and original SCF database.The satisfaction of acceptance criteria proposed by the UK Department of Energy(UK DoE) was also checked.Results of parametric study showed that highly remarkable differences exist between the SCF values in a multi-planar DKT-joint and the corresponding SCFs in an equivalent uni-planar KT-joint having the same geometrical properties.It can be clearly concluded from this observation that using the equations proposed for uni-planar KT-connections to compute the SCFs in multi-planar DKT-joints will lead to either considerably under-predicting or over-predicting results.Hence,it is necessary to develop SCF formulae specially designed for multi-planar DKT-joints.Good results of equation assessment according to UK DoE acceptance criteria,high values of correlation coefficients,and the satisfactory agreement between the predictions of the proposed equations and the experimental data guarantee the accuracy of the equations.Therefore,the developed equations can be reliably used for fatigue design of offshore structures.     

Study on hot spot stress distribution of three-planar tubular Y-joints subjected to in-plane bending moment

The three-planar tubular Y-joint (3Y-joint) is the main part of the fatigue assessment of tripod substructures of offshore wind turbines (OWTs). As typical multiplanar tubular joints, 3Y-joints are affected a lot by multiplanar interaction between braces. Moreover, the locations of hot spot stress (HSS) can vary considerably under different load types. Thus, the distributions of stress concentration factor (SCF) and multiplanar interaction factor (MIF) along weld toe curves are necessary to calculate HSS. Considering these requirements, this study focuses on the 3Y-joint considering the wide application of the tripod substructure of OWT. A finite element (FE) analysis method is introduced and validated. Then, a numerical database is established covering common ranges of parameters used in practice. The SCF and MIF of 3Y-joint under in-plane bending moment are analyzed. Distribution formulas are proposed and proved suitable for calculating HSS in engineering design.