不同约束条件下柱壳周向壁穿裂纹端区域应力分布

柱壳是船舶与海洋工程结构物中主要的结构构件.由于波浪等载荷的交变作用,疲劳裂纹损伤是这类结构物中一种常见且对安全性危害极大的损伤形式,因此裂纹损伤柱壳的研究一直是一个关注的课题.本文针对柱壳周向壁穿裂纹,利用弹塑性有限元的数值解,在不同的约束条件下进行了较为详细的分析,获得了一些带有规律性的结果,为Dugdale模型等一些弹塑性断裂参数计算方法的应用提供了必要的理论基础.     

海洋平台结构系统弹塑性整体计算的裂纹柱壳新单元

柱壳是船舶与海洋工程结构物中主要结构构件.由于波浪等载荷的交变作用,疲劳裂纹损伤是这类结构物中一种常见且对安全性危害极大的损伤形式,因此裂纹损伤柱壳的研究一直是一个关注的课题.通常,对于韧性良好的结构物材料,在裂纹扩展前,裂纹前端可能出现较大范围的塑性,其相应的分析称为弹塑性断裂分析.另一方面,裂纹损伤构件在载荷作用下的演变与整体结构系统的关系密切,因此,包含裂纹损伤的结构整体系统计算是必要的,而目前一般的有限元方法由于裂纹存在和非线性的特殊原因,进行这样的计算工作量非常大,因此有必要开发未知量少且能反映弹塑性裂纹影响的新的结构单元.针对周向壁穿裂纹损伤柱壳,利用Sanders弹塑性裂纹解析解,通过增量运算,实现载荷和位移的增量显式表达,建立了弹塑性裂纹的单元增量刚度方程,为裂纹损伤结构系统的整体计算奠定了必要的理论基础.     

裂纹损伤柱壳刚架结构的弹塑性分析

从裂纹损伤结构的整体系统弹塑性分析出发，以一具有周向穿透裂纹损伤的圆柱壳门形刚架结构作为研究对象，利用理想化结构单元，分析了裂纹损伤直至裂纹扩展对结构的影响，探讨了理想化结构单元用于结构分析的适用范围及精度。     

考虑裂纹扩展的周向裂纹损伤圆柱壳的极限强度

为了正确评价和预测大型海洋平台结构在疲劳裂纹损伤条件下的承载能力,须要全面、系统地研究圆柱壳这类基本构件在考虑裂纹扩展条件下的极限强度。针对含周向壁穿裂纹损伤的圆柱壳,利用已有的关于弹塑性裂纹及裂纹扩展的理论解析解,通过系列计算,探讨了裂纹初始长度、圆柱壳直径板厚比、材料的临界CTOD、临界CTOA、屈服应力及杨氏模量等参数对极限强度的影响,并就其对各参数的敏感度作了相应的分析。提出极限强度损失系数κ、强度冗余系数λ及裂纹剩余扩展长度ξ等无因次参数,并以此定量地评价由裂纹扩展所引起的结构承载能力的变化。这项研究为进一步合理地评估含裂纹损伤的结构系统整体的极限强度完成了一项基础性工作。     

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.     

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.     

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.     

潜艇锥柱结合壳焊趾表面裂纹疲劳寿命计算

随着潜艇用钢屈服强度的不断提高，潜艇耐压壳体的直径及锥壳的半锥角的不断加大，潜艇耐压壳体锥柱结合壳连接焊接焊趾处的疲劳寿命已越来越受到设计人员的重视，但目前还没有可靠的设计方法可以遵循。针对潜艇锥柱结合壳连接焊缝处的受力特点为压弯结合应力，在分析了平行于裂纹面的应力，曲率的约束以及液楔的作用对潜艇焊趾表面裂纹疲劳寿命的影响进行分析后认为，潜艇锥柱结合壳焊距表面裂纹疲劳寿命计算可以采用对压应力进行修正的应力强度因子计算模型。本文给出了对压应力进行修正的应力强度因子计算式，在此基础上提出了一套能考虑焊距的外应力集中以及爆接残余应力等影响的受压弯应力焊接结构焊趾裂纹疲劳寿命计算方法，对初始表面裂纹形状和大小对疲劳寿命的影响进行了系列计算，计算结果表明，本方法预报出的疲劳寿命与实验结果在量级上是吻合的，但在推向实用之前还需要做更多的实验验证。     

潜艇锥柱典型节点表面裂纹扩展数值模拟

锥柱结合处是潜艇结构疲劳破坏的热点区域。本文以潜艇锥柱结合壳结构典型节点为研究对象,以断裂力学为理论基础,使用APDL语言对ANSYS软件进行2次开发,分析潜艇耐压壳结构典型节点表面裂纹在交变载荷作用下的扩展过程,并与试验结果进行对比,结果表明本方法可较好地模拟表面裂纹的疲劳扩展。     

含轴对称裂纹的圆柱壳输入功率流特性

广泛应用于船舶与海洋工程等领域的圆柱壳结构因冲击、腐蚀、交变载荷等外力作用下常出现裂纹损伤，因此，对含裂纹的圆柱壳结构的动态特性进行研究具有重要意义。对含有环向轴对称表面裂纹的无限长圆柱壳的振动与输入功率流特性进行研究，将壳体中的表面裂纹模拟为线弹簧，运用线弹性断裂力学，考虑到裂纹的张开、滑移和撕裂三种状态，建立了裂纹区域的局部柔度矩阵。分析了在周向线力作用下圆柱壳在呼吸模式下的振动与波传播特性，并讨论了壳体中的输入能量流与裂纹参数和结构参数之间的联系。结果表明裂纹的存在改变了壳体中的振动波和能量的传播特性，裂纹的位置和深度与功率流特性密切相关。     

一种变幅载荷下疲劳裂纹扩展的预测方法

文章提出了一种基于裂纹尖端弹塑性应力应变关系的预测变幅载荷下疲劳裂纹扩展的方法。该方法通过对裂纹前端过程区单元的弹塑性应力的循环叠加,得到裂纹扩展过程中的应力、应变关系,兼顾了残余应力对裂纹扩展的作用。基于累计损伤理论,同时利用SWT应力应变和寿命的关系,对单元损伤量的循环叠加计算,根据损伤量判断单元破坏。该方法能够清楚地反映过载时裂纹扩展的迟滞效应和低载对裂纹扩展的加速影响,并对变幅载荷下疲劳裂纹的扩展进行良好的评估。     

压弯应力下焊趾表面裂纹疲劳性能试验研究

潜艇耐压壳锥柱焊接过渡结构所受的应力特征为压弯组合应力，该处是潜艇耐压壳疲劳的热点区域。弄清楚压弯组合应力作用下成一定角度对接的焊接板结构试析的疲劳特性对潜艇等结构的疲劳研究是必要的。本文提出用焊接角度板轴向加载获得压弯组合应力来模拟潜艇结构耐压壳锥－柱焊接结合区的应力特征的实验方法。用980高强钢作试件，研究了焊趾处预制表面裂缝，并在压弯组合应力为特征的疲劳载荷作用下表面裂纹的疲劳行为。给出了高强钢焊趾表面裂纹在压弯组合应力下应力强度因子及其疲劳寿命计算式。该结果可供海洋平台、压力容器及管道的某些受力特征为压弯组合应力的重要结构的疲劳设计时参考。     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果.基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型.通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性.通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析.该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义.     

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。     

节点局部结构型式对应力分布的影响

本文主要针对海洋结构物中的典型局部结构——K型管节点局部结构进行数值模拟分析，考察局部结构型式对其疲劳行为的影响。首先，控制最大应力的产生部位，使原本出现在管节点相贯线附近及肘板或撑板与管节点主构件连接处的最大应力转移至肘板或撑板板缘上，从而控制疲劳裂纹产生于管节点局部结构中的附属构件上；其次，通过在裂纹尖端打孔的方式，消除裂纹的扩展状态，以达到在结构物全寿命周期内延长维修周期、减小维修难度、节省维修费用的目的。     

考虑累积塑性的船体裂纹板变幅低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低、延展性不断耗失而逐渐分离的过程。基于弹塑性断裂力学理论,文章在作者对常幅载荷下提出的考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型的基础上对具有单个过载峰的拉伸/压缩过载下的扩展行为进行了研究。通过低周疲劳裂纹扩展试验进一步验证了该预测模型能合理评估具有单个过载峰的拉伸/压缩过载下的低周疲劳裂纹扩展行为。     

用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率

疲劳寿命的预报在船舶与海洋工程领域中相当重要，但其关键问题是要找到一种较科学的疲劳寿命预报方法。最近，本文第二作者提出了一种海洋结构物疲劳寿命预报的统一方法。该方法是基于疲劳裂纹扩展理论而发展起来的，在其九个参数模型的假设之下，能够较好地解释一些其它方法所不能解释的现象。采用该方法的主要障碍在于需要确定疲劳裂纹扩展率。作者通过对不同的疲劳裂纹扩展率的比较研究，并推广McEvily模型后，提出了一个具有较宽适用范围的九个参数疲劳裂纹扩展率模型(从门槛域一直到不稳定断裂域)。本文的主要目的是解决如何根据一些现有的疲劳试验数据来确定这九个模型参数的问题。文中给出了通过实验数据确定裂纹扩展率模型中各个参数的方法，并进行了模型参数的灵敏度分析。通过对文献中一些试验数据的收集，给出了几种常用金属材料的裂纹扩展率模型参数。     

裂纹前端局部加强板的韧性断裂分析

对局部加强含裂纹板的弹塑性断裂问题进行了分析计算.建立了裂纹前端局部加强的裂纹板弹塑性分析的Dug-dale模型,以裂纹尖端开口位移CTOD为断裂参数,就加强复板位置、结构参数及加强复板与裂纹板材料参数等因素对结构止裂性能的影响进行了分析计算.结果表明,在裂纹前端进行局部加强使裂纹尖端的塑性区长度减小,且降低了裂纹尖端的开口位移CTOD,能有效地阻止裂纹扩展.提高加强复板相对刚度有利于改善裂纹尖端状态,提高结构的承载能力.     

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。     

加肋轴对称壳非线性分析方法的探讨

将Sanders-Koiter几何非线性壳体理论与理想弹塑性本构关系结合，建立了加肋轴对称壳体结构的非线性有限元计算方法，并对加肋锥-环-柱组合壳塑性力学现象进行了观测，发现加肋锥-环-柱组合壳在失稳破坏时，环壳屈服厚度占壳体厚度的44%。