存在奇异点的结构疲劳评估简单方法

由于船舶结构整体几何形状具有内在的应力奇异性,其有限元分析结果的评估并不明确。通过对一个简单平面直角十字形拐角结构上的奇异性和裂纹尖端的奇异性进行分析,提出简化后的经验法则及一个直接的计算方法,用于计算裂纹的应力强度因子和基于S-N曲线疲劳分析中的应力集中系数。同时对结构中奇异点处应力场性质提出认识,对其有限元分析方法中网格的划分提供基础。     

集装箱船典型疲劳评估节点应力强度因子计算

在基于疲劳裂纹扩展理论的疲劳评估方法中需要确定疲劳热点,并准确求解热点处裂纹应力强度因子。论文将CCS在规范中规定的疲劳评估节点分为四类:1典型对接接头和T型接头焊趾处,2趾端底板,3趾端肘板,4垂直三构件相交角点。分别使用三维有限元技术求解第一类、第二类、第三类节点的应力强度因子修正系数并和BS7910公式对比。结果表明:第一类节点与BS7910公式吻合良好;第二类节点裂纹扩展在趾端范围内时应力强度因子修正系数较BS7910公式大,超过趾端范围内时,应力强度因子修正系数发生突变快速下降并逐渐趋近于1;第三类节点应力强度因子修正系数在整个范围内较BS7910公式大。第二类构件、第三类构件应力强度因子修正系数和BS7910公式误差都很大。为此,分别对第二、三类节点提出了各自的修正公式,它们和有限元计算结果吻合良好。     

海洋平台中KK管节点表面裂纹应力强度因子的有限元计算方法

海洋平台中的KK管节点由于长期承受循环载荷而容易在焊缝处产生疲劳表面裂纹.对包含表面裂纹的KK节点的残余寿命的评估依赖于对表面裂纹应力强度因子的准确估算.本文首先提出了KK节点中表面裂纹的有限元网格产生方法,然后采用线弹性断裂力学理论,通过裂纹前缘的位移外推插值法分析了KK节点在轴向力作用下沿着表面裂纹的应力强度因子的分布情况.最后,通过对22个KK节点的模型分析,研究了节点的几何参数和裂纹形状参数对应力强度因子的影响情况.     

船舶折角型节点的疲劳裂纹扩展计算

文章以船舶折角型节点为研究对象,运用有限元软件WALCS和PATRAN分别预报某船的水动力响应和结构热点应力响应.为避免计算表面裂纹应力强度因子时需要在PATRAN有限元模型中疲劳热点区域采用体单元建模,文中提出了一种计算波浪载荷下船海结构物三维表面裂纹应力强度因子而无需在PATRAN中建立体模型的方法,并通过与广泛认可的经验公式对比验证其精度.将此方法应用于该船船舯底边舱折角处表面裂纹应力强度因子计算,计算并总结出波浪载荷下该类节点处表面裂纹应力强度因子的无量纲计算经验公式.应用一种基于谱分析构建结构疲劳载荷谱的方法,结合单一曲线模型对该节点进行裂纹扩展计算.计算结果表明:该船船舯底边舱折角疲劳寿命不满足设计要求,建议对节点进行改进.     

肘板趾端表面裂纹在随机波浪载荷作用下的疲劳扩展预报

肘板趾端是船舶与海洋结构的疲劳热点。文章用三维有限元分析了趾端表面裂纹应力强度因子修正系数的变化规律,并与BS7910推荐的典型节点表面裂纹应力强度因子公式计算结果作了对比,结果表明趾端表面裂纹应力强度因子沿深度方向的放大系数和T型节点相差很小,而表面端点应力强度因子修正系数则当裂纹长度在肘板厚度范围内时和T型节点相差很小,超出后则相差较大。以某客滚船上肘板趾端应力范围长期分布服从Weibull分布,产生系列均值为零的应力幅,应力强度因子分别采用有限元结果和BS7910中T型接头公式进行计算,采用单一曲线模型计算该趾端表面裂纹的裂纹扩展。计算等效应力强度因子幅时,考虑焊接残余应力的影响。计算结果表明以T型接头的公式计算趾端表面裂纹应力强度因子和有限元结果相差很小。建议将T型节点表面裂纹应力强度因子计算公式用于趾端表面裂纹应力强度因子的计算,并采用单一曲线模型对随机波浪载荷下作用下船舶典型节点疲劳裂纹的扩展寿命进行了预报。     

基于断裂力学的破冰船结构疲劳损伤评估方法

在极地恶劣的低温环境及冰载荷冲击下，破冰船结构的表面裂纹呈现出不同于常规水面船舶的疲劳裂纹扩展特性。以“雪龙2”号破冰船首部结构为例，基于断裂力学方法开展破冰船结构节点处的疲劳裂纹扩展研究。首先基于焊接节点处应力强度因子的理论解，对表面裂纹扩展方法进行验证；然后通过整体-局部耦合分析方法提取典型疲劳节点处的结构子模型。基于低温下材料的Paris参数和结构裂纹扩展模拟方法进行裂纹扩展分析。还讨论了初始裂纹尺寸和低温下材料的Paris参数对结构裂纹扩展的影响。结果表明，破冰船典型结构节点处的裂纹扩展对初始裂纹尺寸和温度较为敏感。     

基于切口应力强度理论的135°拐角处应力场分析

在焊接接头处,几何的不连续造成了局部的应力集中,形成了应力奇异效应,有必要做进一步的研究。文章基于切口应力强度理论,引入了奇异强度as的概念,提出了评估切口应力的简便算法,并通过一系列十字形模型进行了验证。最后,将修改表达式的预估结果同N-SIF公式作了对比分析,结果表明该修正公式可以简单、准确地预估焊接接头处的应力。     

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.     

基于奇异元计算分析裂纹尖端应力强度因子

采用两种奇异单元模拟裂纹尖端应力应变场的奇异性,建立了相应的计算裂纹尖端应力强度因子的ANSYS有限元模型。通过数值计算,分别考察了这两种有限元模型中裂纹尖端附近区域网格参数的变化对应力强度因子计算精度的影响,比较了应力强度因子对各个参数的敏感程度。发现采用20节点奇异元的有限元模型计算的应力强度因子几乎与网格参数无关,其计算结果更稳定可靠。该模型能够用于船舶及海洋工程结构中含裂纹构件的应力强度因子计算。     

偏心裂纹缺陷板的应力强度因子和极限拉伸强度分析

疲劳裂纹对船舶结构强度具有不可忽视的削弱作用,在过去的研究中,主要从断裂力学的角度对疲劳裂纹应力场进行分析,而对于静态裂纹板的极限强度的探讨相对较少.本文在有限元计算的基础上对具有偏心裂纹缺陷的矩形板的应力强度因子和极限拉伸强度进行了分析.对于偏心裂纹应力强度因子,在计算方法上有效地简化了文献[5]中提出的大单元有限元计算模型,并且用于分析裂纹偏心度对于应力强度因子的影响.对于偏心裂纹延性板,采用弹塑性有限元进行了大量的组合计算,分析了相对裂纹长度、材料屈强比和裂纹偏心度对板的拉伸极限强度的影响,并给出了方便计算的回归公式.该回归公式包含了多个参数对板的极限拉伸强度的影响,与实验结果吻合较好.     

Numerical study on fatigue crack growth at a web-stiffener of ship structural details by an objected-oriented approach in conjunction with ABAQUS

It is necessary to manage the fatigue crack growth (FCG) once those cracks are detected during in-service inspections. This is particular critical as high strength steels are being used increasingly in ship and offshore structures. In this paper, a simulation program (FCG-System) is developed utilizing the commercial software ABAQUS with its object-oriented programming interface to simulate the fatigue crack path and to compute the corresponding fatigue life. In order to apply FCG-System in large-scale marine structures, the substructure modeling technique is integrated in the system under the consideration of structural details and load shedding during crack growth. Based on the nodal forces and nodal displacements obtained from finite element analysis, a formula for shell elements to compute stress intensity factors is proposed in the view of virtual crack closure technique. Neither special singular elements nor the collapsed element technique is used at the crack tip. The established FCG-System cannot only treat problems with a single crack, but also handle problems with multiple cracks in case of simultaneous but uneven growth. The accuracy and the robustness of FCG-System are demonstrated by two illustrative examples. No stability and convergence difficulties have been encountered in these cases and meanwhile, insensitivity to the mesh size is confirmed. Therefore, the FCG-System developed by authors could be an efficient tool to perform fatigue crack growth analysis on marine structures.     

T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的简化计算方法

T型接头是船舶与海洋结构物的典型结构形式之一,其焊趾处常常是疲劳热点区域。T型接头焊趾表面裂纹的应力强度因子是船舶与海洋结构的、基于断裂力学安全评定和疲劳寿命预测的基础。本文对T型接头表面裂纹应力强度因子的计算方法,尤其是Bow ness等人提出的T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的计算公式进行了分析,在此基础上导出了形式简单,物理意义明确的T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的简化计算公式,并和相关的应力强度因子的计算结果进行了比较,证明了本文简化方法的可行性。     

一种复杂载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展预报方法

风暴模型是Tomita等提出的用来评估船舶结构疲劳强度的一种随机波浪载荷简化模型,它能表达波浪载荷是与时间相关的随机过程。文中介绍了风暴模型及波浪诱导应力短期分布的基本特征。将风暴模型和裂纹扩展率单一曲线模型及焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨了复杂载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展预报方法。并用权函数法计算了给定残余应力分布的表面裂纹应力强度因子。预报了对接焊接接头焊趾处表面裂纹在风暴波浪载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为,结果表明风暴的大小、顺序,初始裂纹尺寸及残余应力对裂纹扩展行为影响明显。合理的风暴模型参数及初始裂纹尺寸的确定对船舶结构的疲劳寿命预报是非常重要的。     

变幅载荷作用下焊接接头疲劳寿命预测方法

船舶与海洋结构物在其服役过程中受到波浪等载荷的交变作用而引起结构的疲劳损伤.检测结果表明船舶及海洋结构的疲劳热点部位大多数是在构件相互连接的焊缝焊趾处.因此,研究典型接头表面裂纹应力强度因子统一计算方法以及变幅载荷作用下表面裂纹扩展规律对船舶与海洋结构物的寿命预测是十分重要的.本文讨论了裂纹闭合及开口比的计算,在Newman有效应力强度因子计算方法的基础上,提出了考虑因素更全面的有效应力强度因子幅计算式以及变幅载荷作用下船舶与海洋结构物典型焊接接头疲劳裂纹扩展寿命预测模型.     

随机海况下的船体结构疲劳裂纹扩展

传统的疲劳问题一般都是采用S—N曲线及Miner累计损伤理论进行的,文章在基于断裂力学的基础上,通过权函数法来计算应力沿裂纹面的非线性效应力强度因子,鉴于船舶在海洋环境中受到载荷的随机性,充分考虑加载次序、过载峰和应力比等对裂纹扩展的影响,给出了船舶结构疲劳裂纹在随机载荷下的扩展寿命的计算过程。     

超大型浮体柔性连接器疲劳强度模型试验

为了保证超大型浮体的作业安全,需要精确评估连接器结构疲劳强度。文章针对一种由尼龙柔性夹层和环肋加强圆管轴构成的铰接式连接器,开展了疲劳强度模型试验,测量了热点应力、疲劳寿命和裂纹扩展。考虑接触、柔性层以及开孔的影响,采用三维有限元方法计算了连接器结构应力,分别基于S-N曲线和裂纹扩展,给出了柔性连接器疲劳寿命评估方法。比较分析表明,计算得到的连接器结构应力和疲劳寿命与模型试验结果吻合,文中方法可用于柔性连接器结构疲劳强度设计     

A computational approach for fatigue crack propagation in ship structures under random sequence of clustered loading

The authors have developed a simulation program, CP-System, for multiple cracks propagating in a three-dimensional stiffened panel structure, where through-the-thickness crack propagation is formulated as a two-dimensional in-plane problem, and the crack propagation behavior is simulated by step-by-step finite element analyses. In order to evaluate the fatigue lives of marine structures accurately, it is necessary to take into account the load histories induced by sea waves, which may be composed of a random sequence of certain clustered loads with variable stress range. In the proposed crack growth model, the crack opening and closure behavior is simulated by using the modified strip yielding model, and the effective tensile plastic stress intensity range, ΔK _RP, is calculated by considering the contact of plastic wake along the crack surfaces. The adequacy of the proposed crack growth model is examined by comparison with fatigue tests under non-constant-amplitude loading. The usefulness of the developed method is demonstrated for a ship structural detail under certain simulated load sequences. It is shown that the fatigue crack growth of a ship structure is significantly retarded due to the load interaction effects, so that the conventional method for fatigue life assessment may predict a relatively conservative fatigue life of a structure.     

A reliability approach to fatigue crack propagation analysis of ship structures in polar regions

Fatigue is a common failure mode in ship structures. For structures with an initial crack, the fatigue crack propagation behavior needs to be considered. The purpose of this study is to establish a procedure for analysis of fatigue crack propagation of ship structures in combination with reliability methods. The stress intensity factor (SIF) and geometry correction factor are calculated by means of finite element analysis. Validation for the SIF calculation is achieved by comparing the computed results with those based on related solutions. Since fatigue damage usually occurs in weld areas, the effect of such components on the fatigue crack propagation behavior was also considered in this work. The Paris law in combination with the Monte Carlo technique are employed for the fatigue crack propagation analysis in this study. Reliability updating based on inspection for cracks is also carried out. A computer program was developed for the purpose of fatigue crack propagation analysis within the framework of reliability methods. An application example of fatigue crack propagation in relation to the hull of the icebreaker Xuelong 2 is presented. The sensitivity of the procedure to key analysis parameters (sample size, initial crack size) is also considered. Finally, the effect of low temperatures on the computed results is also analyzed.