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.     

基于断裂力学的散货船外底纵骨疲劳寿命评估

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展理论,按《散货船共同结构规范》确定疲劳载荷及计算工况,通过有限元应力分析对某散货船外底纵骨与横舱壁或横框架连接节点处进行疲劳寿命分析,并探讨了裂纹形状比对疲劳寿命的影响。研究结果表明,外底纵骨上远离横舱壁或横框架一侧的软趾端处的疲劳寿命比靠近横舱壁或横框架一侧的通焊孔焊缝趾端处的疲劳寿命要短,并且疲劳寿命随着裂纹形状比的增大而增大。     

新型钛合金焊接结构疲劳裂纹扩展速率试验研究

为了研究尺度效应及热处理工艺对新型钛合金材料疲劳性能的影响,本文对新型钛合金母材及焊接结构在不同尺度效应和热处理工艺下的力学性能和疲劳性能开展试验,分析尺度效应和热处理工艺对新型钛合金材料疲劳性能的影响规律。研究结果表明,仅经过低温热处理的新型钛合金焊接结构疲劳寿命要超过经过高温-低温热处理后的焊接接头近1.53倍;尺度效应对焊接结构的力学性能影响较大,对母材影响较小;随着尺度增大新型钛合金的裂纹扩展寿命增大,但裂纹扩展速率并无明显变化。     

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。     

装配式码头灌浆连接节点压弯性能试验研究

对3组装配式码头灌浆连接节点试件进行压弯试验,研究不同灌浆长度和灌浆厚度下灌浆节点的压弯承载力、延性和破坏模式。结果表明,灌浆节点试件具有较好的延性和较高的承载力,灌浆节点受压弯荷载的破坏模式为钢管的压屈破坏;压弯构件的极限承载力随着灌浆长度的增大而增大;灌浆厚度的变化对构件的承载力影响不大,但灌浆厚度增大可以提高灌浆体底部的抗裂能力,建议实际应用时适当增大灌浆厚度。     

交通荷载作用下脱空刚性路面的疲劳损伤机理

开发了疲劳损伤本构关系的ABAQUS用户子程序UMAT,分析了全耦合方法下基准路面结构模型疲劳损伤场的分布与发展规律,研究了交通荷载与面板弹性模量、面板厚度、脱空尺寸等路面结构参数对水泥混凝土路面结构裂纹形成疲劳寿命的影响。结果表明,随荷载作用次数的增加,路面结构的疲劳损伤不断增加,但其增幅越来越小,路面结构的荷载应力也逐渐减小;随着交通荷载的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈线性减小趋势;随着面板厚度的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈线性增加趋势;随着脱空尺寸的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈幂函数曲线相关关系。     

纤维增强复合材料拉伸破坏过程的Monte-Carlo模拟

基于剪切滞后模型,采用影响函数叠加方法,得到复合材料在多纤维断裂下的应力场,包含了基体和界面塑性变形的影响.考虑纤维强度的统计特性,结合Monte-Carlo方法模拟丫复合材料在拉伸载荷作用下的累计破坏过程.结果表明:复合材料拉伸强度的尺寸效应与纤维强度分布的统计性质以及微观损伤诱发的应力重分配有关.文中的研究为进一步发展基于破坏机理分析的复合材料在热/机械载荷作用下的疲劳寿命预测理论奠定了基础.     

降低FPSO含裂纹焊接结构应力集中系数的焊接修理形状的研究

对焊缝处出现的裂纹进行焊接修理,以阻止其进一步的扩展,这一方法能够有效地延长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,要谨慎选取焊接修理所采用的形状和尺寸,避免产生过高的应力集中.在本文中,研究了不同几何形状和尺寸的二维焊接修理切口的应力集中系数,如抛物线型和椭圆型等,并与相类似尺寸的U型切口进行了比较.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.将椭圆型的焊接修理形状用于补板与纵骨的连接处,以计算进行焊接修理消除裂纹后结构的最大主应力.结果表明,在消除产生的裂纹以后,含焊接修理切口的结构可以恢复到初始的应力状态.     

船体结构疲劳载荷计算中几个重要参数的探讨(英文)

基于线性累积损伤原理的船体结构疲劳强度评估方法已经在各种民船结构的设计规范中得到了广泛的应用,但其中疲劳载荷的计算方法和主要参数差别较大,导致结构疲劳寿命的评估结果具有一定的分散性。文中利用长期疲劳应力范围的Weibull分布和S-N曲线方法给出的结构疲劳寿命谱分析计算公式,通过理论分析和数值计算,分析了对结构疲劳损伤贡献率最大的长期应力范围所对应的超越概率水平,以及S-N曲线反斜率对该超越概率水平的影响。研究了不同超越概率水平下形状参数对结构疲劳寿命的影响,讨论了疲劳寿命对超越概率水平、形状参数和S-N曲线反斜率的敏感性。文中给出的一些结论对国际船级社协会正在进行的共同油船和散货船结构规范协调性研究具有参考价值。     

船舶疲劳强度校核中Weibull分布相关参数的影响

以疲劳累计损伤度原理为基础,对疲劳强度校核中Weibull分布相关参数的影响进行分析探讨,包括Weibull概率分布的形状参数、尺度参数和超越概率水平,分析对疲劳累积损伤度贡献最大的长期应力范围所对应的超越概率水平,以及不同超越概率水平下形状参数对疲劳寿命的敏感性。     

Fatigue behaviour and life prediction of filament wound CFRP pipes based on coupon tests

This paper investigates the fatigue behaviour of filament wound Toray T700/Epotech X4201 composite pipes with different lay-ups. The present work compares the fatigue behaviour of coupon specimens manufactured with two different fiber orientations under tension-tension and tension-compression cyclic actions. The test results show that the lay-up and stress ratio have significant effect on the failure mechanism and fatigue life of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite coupons. This paper develops an empirical model, which integrates the effect of stress ratio in a fatigue damage parameter, to evaluate the fatigue life of the CFRP filament wound coupons. Combined with the numerically calculated stresses at the critical locations corresponding to the fatigue damage locations, the proposed empirical model developed from the coupon test database predicts successfully the fatigue life of full diameter CFRP pipes, using stresses computed at critical locations in the CFRP pipe.     

潜艇结构锥柱结合壳损伤容限研究

损伤容限与耐久性的结合体现了现代潜艇结构延长寿命、提高可靠性和降低维修成本的综合要求.损伤容限分析的关键问题是正确估算剩余寿命.本文以断裂力学为理论基础,通过对带有初始裂纹的潜艇典型焊接节点模型的剩余寿命有限元分析,将计算结果和试验结果相比较,考核剩余寿命有限元分析方法的可靠性,从而对有初始缺陷或裂纹的疲劳热点区域--潜艇锥柱结合壳进行剩余寿命有限元估算,在此基础上进行潜艇锥柱结合壳损伤容限研究.并对具有不同尺寸的初始裂纹结构的剩余寿命进行有限元分析,确定潜艇在交付使用和检修时的损伤容限尺寸.     

复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法

统一疲劳裂纹扩展模型是课题组在McEvily模型基础上提出来的,它将疲劳裂纹扩展的3个扩展区域统一起来,并能解释更多的疲劳试验现象.本文介绍了统一疲劳裂纹扩展模型的基本表达式.将此模型与焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法.将服从Weibull分布的随机载荷系列编排为升序、降序载荷谱及随机载荷谱,预报潜艇锥柱结合壳焊缝焊趾处表面裂纹在3种载荷谱下的疲劳裂纹扩展情况,并分析随机载荷谱下载荷次序效应及初始裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,载荷次序效应对潜艇结构疲劳寿命的影响很明显,且合理的确定初始裂纹尺寸对潜艇结构的疲劳寿命预报是非常重要的.     

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。     

基于雨流计数法的高低频复合疲劳试验研究

船体固有频率与遭遇波浪频率及其倍频相接近时,波浪载荷极易引起船体结构产生持续的波激振动现象,对大型船舶结构疲劳损伤的影响达到40 %以上。因此,有必要针对波激振动引起的非线性垂向弯矩载荷特点,开展高低频复合工况下典型切口试件疲劳试验及累计损伤分析研究。基于非线性随机载荷的分析方法,采用闭合雨流计数法提取叠加应力历程中的多级循环载荷,并结合平均应力修正方法和疲劳极限以下SN曲线局部修正法,对叠加应力历程中小载荷的损伤效应展开研究。分析结果表明,高低频载荷叠加产生的附加损伤效应对疲劳寿命的影响显著,在恒定应力比下随平均应力的变化近似成二次函数关系。考虑高频小载荷的叠加应力历程疲劳寿命明显降低,可以通过修正累计损伤临界值或引入应力放大因子,近似的利用线性累积损伤理论预测实际叠加应力历程的寿命范围。     

综合集成桅杆螺栓连接方式研究

应用ANSYS软件对综合集成桅杆中复合材料和钢材连接部位进行应力分析,采用接触单元模拟螺栓的接触问题。根据6种工况的结果对比分析得出,非等距螺栓布置对降低玻璃钢孔和螺栓的应力水平效果显著,由此得出最优化设计——螺栓间距成比例布置,最优比例为1∶1.2。采用S-N曲线对玻璃钢孔和螺栓疲劳寿命进行了研究。结果表明：成比例间距螺栓布置方式对延长疲劳寿命有益处。     

随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展

船舶等许多工程结构在服役过程中的受载荷历程是一个随机过程.而变幅载荷下的载荷相互作用对疲劳裂纹扩展寿命将产生显著的影响.因此研究随机载荷作用下的裂纹扩展及定量计算对船舶结构的疲劳寿命预测的可靠性是十分重要的.该文提出了一个基于有效应力强度因子,以应力比和裂纹尖端塑性区尺寸为主要参数的随机载荷作用下疲劳寿命预测模型.该模型用于预测几种载荷谱作用下的裂纹扩展试验,结果表明预测结构和实验结果符合得很好.     

Low-cycle fatigue assessment of offshore mooring chains under service loading

The integrity of mooring chains is essential to the safety of a range of offshore platforms. However, mooring line failures are occurring earlier than their design lives, with a high number of these failures occurring due to fatigue. Early in the fatigue life of the component fatigue initiation processes occur, where the fatigue hotspot is sensitive to the mean load and there is plastic strain accumulation from the multiaxial stress-strain responses of the material, leading to cyclic plastic damage accumulation. The traditional SN approach suggested by mooring standards does not consider these effects, and it is proposed that this lack of consideration under low-cycle fatigue conditions is the reason for the current non-conservative fatigue assessments of mooring chains. This paper aims to develop a fatigue approach based on a critical plane multiaxial fatigue criterion for mooring chains that can consider the damage-induced by the cyclic plasticity and the mean load effect, to investigate the importance of incorporating low-cycle fatigue into the mooring chain life prediction. To develop the critical plane approach, the multiaxial stress-strain states are extracted for the critical plane at the fatigue hotspot from a finite element model of a mooring chain. This is then correlated with a fatigue life prediction provided by conventional fatigue design data. It uses a simulation of an FPSO as a case study to demonstrate the importance of low cycle fatigue, which shows that the mean load effect is significant in reducing the fatigue life for mooring chain applications, while the effect of fatigue damage-induced cyclic plasticity is limited. The fatigue damage accumulation predicted by the critical plane approach is significantly higher than that of the traditional SN approach and should be accounted for in mooring line design.     

在随机载荷作用下用断裂力学法估算潜艇耐压壳体的疲劳寿命和裂纹尺寸

潜艇在上浮下潜的过程中承受着反复作用的由外部水压力所产生的随机载荷,耐压壳体面临着疲劳破坏。本文引入了潜艇的疲劳载荷谱,模拟了潜艇随机载荷历程,并对一次载荷历程估算了疲劳寿命;同时模拟了100次载荷历程,分别对疲劳寿命和裂纹尺寸进行了统计,结果表明裂纹的疲劳寿命符合威布尔分布,裂纹扩展尺寸服从对数正态分布。该结论与目前疲劳可靠性分析中使用的对数正态分布模型和威布尔分布模型相一致。