淡水环境中水工钢闸门与碳纤维布黏结性能研究

水工钢闸门长期频繁处在干湿交替状态,易发生金属腐蚀并降低结构的稳定性和承载性,碳纤维复合增强材料(CFRP)具有良好的抗腐蚀能力和抗拉能力,用作加固材料能延长闸门使用寿命,施工时保证CFRP与闸门之间的有效黏结是重难点。设计了9组CFRP与钢板黏结剪切试验,基于CFRP与钢板的黏结剪切破坏分析CFRP的黏结长度、钢板腐蚀程度以及黏结宽度等对有效黏结长度的影响。数据表明,CFRP与钢板的有效黏结长度是80 mm,且长度随钢板腐蚀程度加深而递减,与CFRP的粘贴宽度无关;CFRP与钢板的极限黏结力之间是线性增大关系,且当有效黏结长度低于实际粘贴长度时,极限黏结力不再动态变化。另外,试件所展现出黏结破坏的延性得到了一定的改善。     

混凝土构件直接粘贴CFRP加固的腐蚀界限研究

为弥补现有规范不足、解决不同腐蚀等级构件碳纤维加固效果参差不齐的问题,在氯化钠溶液中通电模拟海洋腐蚀环境,加速腐蚀出不同腐蚀程度的RC梁,粘贴CFRP加固后进行加载试验,通过分析不同腐蚀程度构件承载力损失和直接粘贴、凿除粘贴两种CFRP处理方式的加固效果,研究腐蚀等级对海工RC梁CFRP抗弯加固的影响,并探讨直接粘贴CFRP加固的腐蚀界限。结果表明,在低腐蚀等级条件下,直接粘贴CFRP加固能有效减小腐蚀梁在荷载作用下的主裂缝宽度,减缓梁开裂的时间,提高抗弯承载力和整体刚度,但随腐蚀等级的增加,这些作用越来越弱,当梁腐蚀裂缝宽度超过1 mm、主筋锈蚀率达15%时,直接粘贴CFRP加固已不再适合。     

CFRP修复含裂纹加筋板极限强度仿真研究

[目的]为研究碳纤维增强复合材料(CFRP)粘贴修复含裂纹加筋板的极限强度,[方法]采用非线性有限元法对在轴向压缩载荷作用下的CFRP修复含裂纹加筋板的极限强度进行分析,基于CFRP修复含裂纹加筋板模型,对仿真结果与文献的试验结果进行比较,验证所提方法的准确性。以CFRP双面修复含裂纹加筋板为例,研究CFRP加筋板的极限强度,并对胶层剥离机理和胶层应力进行分析。[结果]结果表明,使用CFRP修复含裂纹加筋板后其极限强度得到了明显提高,且接近于含几何初始缺陷加筋板的极限强度;CFRP修复含裂纹加筋板的脱胶行为发生在极限强度之后。[结论]使用CFRP修复含裂纹损伤的加筋板可有效提高其极限承载能力,研究结果可为船舶与海洋工程结构修复提供参考。     

含裂纹船用气瓶安全评价及剩余寿命预测

针对船用气瓶使用过程中出现的疲劳失效问题,开展含裂纹气瓶安全评价及剩余寿命预测研究,通过疲劳裂纹扩展速率试验,得到疲劳裂纹扩展速率公式。对3种典型尺寸表面裂纹进行理论计算,获得船用气瓶安全评定结果和临界裂纹尺寸,并通过3种人工预制裂纹疲劳试验和安全评价验证理论公式的合理性。评定结果表明：当初始裂纹深度[a]≤1.5 mm,长度[2c]≤10 mm时,船用气瓶可安全使用至下一周期。     

大结构模型中多裂纹种类并行疲劳试验方法研究

大结构模型低周疲劳试验周期较长,成本高,一般情况只能通过一只或少量的模型研究裂纹的形成机理和扩展规律,确定裂纹的形成寿命和扩展寿命.文章通过开展裂纹尖端的应力场研究,提出了一种在大结构模型中预制多种裂纹类型同时进行低周疲劳试验的并行疲劳试验方法.利用该方法开展了锥柱结合壳结构模型疲劳试验,得到了该模型的多种裂纹类型的裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命试验结果,验证了并行疲劳试验方法的可行性和可信性.     

基于海洋环境的CFRP加固含裂纹钢板拉伸性能试验研究

应用虚拟裂纹闭合法建立模型,模拟塑性钢板的破坏过程。提出了考虑环境防护的加固工艺方案,进行有限元仿真分析及试验验证。利用环境试验设备模拟交变湿热、太阳辐射老化、盐雾等南海典型环境,分析南海环境因素对加固胶层脱粘前的最大载荷及脱粘位移的影响。研究表明,虚拟裂纹闭合法可准确地模拟含裂纹结构加固前后的受力情况,环境因素对CFRP加固结构的最大脱粘载荷基本没有影响,但最大脱层位移显著降低。这表明环境因素对粘接剂的延伸率有一定的影响。     

疲劳裂纹扩展规律的正切模型

为了用解析方法合理地描述疲劳裂纹扩展的三个阶段,提出了一种新的疲劳裂纹扩展模型——正切模型。该模型驱动力使用应力强度因子幅值K,能够描述裂纹扩展的三个阶段,且只有四个参数需要确定。通过非线性拟合确定疲劳裂纹扩展正切模型中的四个参数。研究了门槛值Kth和失稳值Kf与应力比R的关系,以及四个参数对裂纹扩展速率的影响。最后比较了试验值、九参数模型和正切模型在疲劳裂纹扩展速率曲线和裂纹扩展长度变化曲线等方面的差别,发现正切模型结果与试验数据较为吻合。该模型描述的裂纹扩展长度变化曲线能够较好地用于疲劳寿命评估。     

粘贴碳纤维布与钢板加固RC梁的承载力计算方法

根据提出的加固材料强度系数,并基于试验数据分析,分别提出了粘贴碳纤维布和粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的抗弯承载力提高系数计算公式。研究结果表明,粘贴钢板比粘贴碳纤维布对梁的抗弯承载力有更好的加固效果。     

CFRP补强(加固)钢筋混凝土开孔平板的试验研究

研究了体外粘贴碳纤维增强复合材料CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)加固钢筋混凝土开孔平板的受力性能,通过5块开孔平板的加固试验,从破坏形态、开裂荷载、极限荷载和弯曲变形等方面分析构件的加固效果,研究粘贴层数、开孔尺寸和开孔位置等因素对构件加固效果的影响。试验结果表明,经外贴CFRP加固后,钢筋混凝土开孔平板的极限承载力、弯曲变形能力均得到明显提高,构件的抗裂性能也有一定程度的提高。     

钛合金疲劳小裂纹扩展行为预报方法研究

针对小裂纹扩展阶段裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略的问题,在考虑小裂纹效应裂纹扩展速率修正模型基础上,对该模型中裂纹尺寸进行修正,即裂纹长度等于真实裂纹长度加上平面应变状态下裂纹尖端塑性区域一半;并利用修正后的模型对钛合金材料不同情况下疲劳小裂纹扩展速率和寿命进行预报,同时将预报结果与试验值比较。结果表明:修正后的预报模型对小裂纹扩展速率和寿命均有很好的预报效果。     

宽、窄排水板相结合在真空预压中的应用

针对浅层吹填淤泥层处理效果相对较差的问题,分析宽、窄排水板相结合的加固机理,采用室内和现场试验的方法,对宽、窄热熔排水板的物理力学指标以及单独使用不同宽度排水板的加固效果进行对比分析。结果表明,宽板的加固效果略优于窄板;宽、窄板相结合进行加固比单独使用宽板在吹填淤泥层内孔压消散量、加固后十字板剪切强度等方面的优势明显,且经济性较强,该方法可为类似工程提供借鉴。     

Fatigue life prediction of welded stiffened 350WT steel plates

The propagation of fatigue cracks under constant amplitude cyclic loading was studied in welded stiffened steel plates. The residual stresses in the stiffened plates were measured using the neutron diffraction strain-scanning technique. A finite element model of the stiffened plate was constructed to simulate the residual stresses by an uncoupled thermal and thermo-mechanical analysis. Both the finite element model and the neutron diffraction measurements indicated that in general the residual stresses were tensile near the welded stiffeners and compressive between the stiffeners and ahead of the starter notch tip. Fatigue testing indicated that the fatigue crack growth rates of the stiffened plates were in general lower than that of a corresponding unstiffened plate, especially near the notch tip where compressive residual stresses existed. Both the finite element method and Green's function predicted the fatigue crack growth rates with reasonable accuracy.     

Fracture control of extremely thick welded steel plates applied to the deck structure of large container ships

The rapid enlargement of the size of container ships has led to the application of extremely thick plate in the deck structures, which may grow concerns about the fracture toughness at the butt-weld with large amount of heat input, and the arrest toughness of brittle crack propagation in the base metal of such thick plates. Also, slam-induced whipping stresses might affect the fatigue crack propagation and the initiation of a brittle crack in a container ship. In order to prevent the catastrophic failure of deck structures by brittle fracture, national joint research projects, which focused on the safety-related issues of extremely thick steel plate applied to hull of large container ships, were formed from April 2007 to March 2011 organized by the Japan Ship Technology Research Association (JSTRA) supported by the Japanese Government in collaboration with universities, national research institute, classification societies and relevant industries including shipbuilding, steel manufacturing and shipping companies. The joint research projects have carried out the investigations on crack initiation toughness of the weld, fatigue crack propagation under seaway loading, the potential of defect detection by ultrasonic testing, and the crack-arrest methods after brittle crack propagation. Practical recommendations to prevent brittle fracture of large container ships were proposed based on these comprehensive investigations. The essential parts of the above research activities are presented in this paper.     

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.     

不同加筋形式对结构声辐射性能的影响

本文基于统计能量法分析了横向加筋板,纵向加筋板,斜加筋板,圆心在板角的圆弧形加筋板,圆心在板中轴的圆弧形加筋板,正交加筋板等六种不同加筋形式板在100Hz至1000Hz内的声辐射特性,研究表明正交加筋板的平均辐射声压级要低于另外五种形式的加筋板.研究了两类改变加强筋间距的横向加筋板的声辐射性能,研究表明对于固定左侧的一根加强筋改变加强筋间距,随着加强筋间距的增大,辐射声压级先增大后减小,而对于板中线为基准改变加强筋间距,对辐射声压级影响不大.最后,本文研究加筋板在主机舱中的实际应用,建立了三种主机舱模型,分析模型的声辐射特性,研究表明复合加筋形式的主机舱辐射声压级最小,相对于无加筋形式,要低4~5dB左右.     

低周疲劳载荷下考虑累积塑性的船舶裂纹板剩余极限强度研究

研究表明在恶劣海洋环境中船体结构整体断裂破坏往往是低周疲劳破坏和累积塑性破坏的耦合结果。考虑这两者耦合作用的影响,评估船体结构的极限承载力更为实际。基于累积塑性和低周疲劳裂纹扩展,从理论上分析了平面内低周疲劳载荷下裂纹板的残余极限强度。经过一系列数值模拟,首先讨论低周疲劳裂纹扩展行为的影响,然后随着疲劳裂纹扩展的发展,主要讨论了初始变形,焊接残余应力,裂纹扩展长度,裂纹分布和裂纹板厚度对低周疲劳载荷下船体裂纹板极限强度的影响。     

基于裂纹最大张口位移的加筋板弹塑性断裂分析

为了快速方便地求取船舶加筋板塑性性能的两个重要参数—裂纹尖端塑性区半径（Ry）和裂纹尖端张开位移（CTOD）,文章提出了一种基于裂纹最大张口位移（MCOD）来确定加筋板的裂纹尖端塑性区半径和裂纹尖端张开位移的简便方法。该法基于理想弹塑性材料,以提出的裂纹最大张口位移与裂纹尖端塑性区半径及裂纹尖端张开位移的拟合函数关系为基础,考虑了模型尺寸效应、材料特性参数及外载荷的影响。文中还对不同裂纹长度、不同屈服极限条件、不同板/筋刚度比时方法的适用性进行了分析,研究表明：该方法能够消除裂纹长度、屈服极限和外载荷等因素的影响,适用于有限宽船舶加筋板的弹塑性分析。     

Computation of ultimate strength of locally corroded unstiffened plates under uniaxial compression

Over the past decades there have been many losses of the merchant vessels due to either accidents or exposure to large environmentally induced forces. The potential for the structural capability-degrading effects of both corrosion and fatigue induced cracks are of profound importance and must be both fully understood and reflected in vessel's inspection and maintenance programme. The present study is focused on assessing the effects of localized pitting corrosion which concentrates at one or several possibly large area on the ultimate strength of unstiffened plates. Over 256 nonlinear finite element analyses (FEA) of panels with various locations and sizes of pitting corrosion have been carried out. The multi-variable regression method is applied to derive new formulae to predict ultimate strength of unstiffened plates with localized corrosion. The results indicate that the length, breadth and depth of pit corrosion have weakening effects on the ultimate strength of the plates while plate slenderness has only marginal effect on strength reduction. Transverse location of pit corrosion is also an important factor determining the amount of strength reduction. When corrosion spreads transversely on both edges, it has the most deteriorating effect on strength. It was also found out that the proposed formulae can accurately predict the ultimate strength of unstiffened plate with localized corrosion.     

十字接头的位错量对疲劳寿命和结构强度的影响

本文就船舶结构中的十字接头在施工时产生的位错量对疲劳寿命和结构强度的影响作了模拟实验研究。通过船用B级钢15mm，21．5mm，25mm和903钢10mm的十字接头，按不同位错量进行系列试验和分析比较，得出将位错量控制在△≤t1／4（t1为最小板厚），最大4mm的范围内完全可以满足力学性能的要求。