三维裂纹前缘应力强度因子数值计算方法

本文建立了采用20节点奇异元1/4节点位移法求解三维裂纹整个前缘3种类型应力强度因子的数值计算方法,给出了裂纹网格划分方法以及网格划分参数取值范围;基于平板表面裂纹研究了网格划分参数对应力强度因子计算结果的影响,并与Newman-Raju解析公式计算结果对比验证了数值方法的准确性,二者最大误差小于2%;采用数值计算方法计算了裂纹扩展标准三点弯曲样扩展过程中单边穿透裂纹前缘应力强度因子,并与解析公式计算结果进行对比分析,二者最大误差为4.7%,且随着裂纹扩展,误差越来越小。结果表明,提出的数值方法可用于含裂纹结构整个裂纹前缘不同类型应力强度因子求解中。     

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。     

双向应力场中表面裂纹应力强度因子的权函数法

半椭圆表面裂纹是船舶等焊接结构中常见的损伤形式,计算裂纹尖端应力强度因子是结构损伤容限设计的前提,权函数法是求解复杂应力场中应力强度因子的有效手段之一。本文基于一种集中力载荷权函数统一形式,通过三维有限元建模计算了裂纹半长比a/c=0.05~1.0、裂纹深度比a/T=0.01~0.8的表面裂纹应力强度因子,并将其作为参考解,得到一组形状适用范围更广的有限厚度平板表面裂纹最深点和表面点的二维权函数。权函数的准确性通过在裂纹面上施加最高六阶的双向变化应力载荷进行验证,权函数法结果与有限元法相比求解误差在10%以内。文中所提出的权函数为复杂焊接结构表面裂纹扩展分析奠定了基础。     

疲劳载荷作用下焊接点三维线弹性弯曲裂纹路径预测

利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下结构线弹性裂纹的弯曲扩展问题并求解了三维动态应力强度因子.利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系.就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的三维疲劳弯曲裂纹扩展路径.但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则.作为二阶摄动方法的实际运用,研究了焊接结构中疲劳线弹性裂纹的形态特征和弯曲扩展路径问题,综合考虑了诸如远场动态作用应力、焊接残余应力、局部物质衰变以及不同尺寸的缺陷的存在等因素,绘制出疲劳载荷作用下退化区域中裂纹弯曲扩展的临界轨迹曲线.     

疲劳载荷作用下焊接点三维线弹性弯曲裂纹路径预测（英文）

利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下结构线弹性裂纹的弯曲扩展问题并求解了三维动态应力强度因子。利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系。就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的三维疲劳弯曲裂纹扩展路径。但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则。作为二阶摄动方法的实际运用,研究了焊接结构中疲劳线弹性裂纹的形态特征和弯曲扩展路径问题,综合考虑了诸如远场动态作用应力、焊接残余应力、局部物质衰变以及不同尺寸的缺陷的存在等因素,绘制出疲劳载荷作用下退化区域中裂纹弯曲扩展的临界轨迹曲线。     

平行界面的裂纹对应力强度因子的影响

研究了平行界面的裂纹的最大应力强度因子及影响因素.利用体积力方法和格林函数,最大应力强度因子可以表达为裂纹界面距离与弹性模量比的函数.通过数值计算给出了应力强度因子随裂纹形状、界面距离以及弹性常数的分布,并在此基础上利用√area参数分析了裂纹形状对应力强度因子的影响.研究表明,对于平行于界面的裂纹问题,√area参数是应力强度因子的主要控制因素.平行于界面的椭圆裂纹的研究结果可以用于分析任意三维裂纹的最大应力强度因子.     

基于能量释放率理论的三维应力强度因子显式闭合解

基于能量差率基本原理,以非穿透裂纹深度的相对值作为控制裂纹虚比例扩展的无量纲几何参量,构造求解裂纹张开位移幅值的伯努利微分方程,导出以裂纹绝对尺寸和相对尺寸为参数的裂纹张开位移幅值表达式,得到有限大体非穿透裂纹三维应力强度因子闭合解.并给出无量纲应力强度因子与各种相对尺寸参数关系的显式表达式,计算结果与Newman的有限元分析结果基本-致.该方法在工程结构损伤容限与耐久性设计应用中更加便捷、高效.     

基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法

为了弥补含裂纹功能梯度材料(FGM)结构强度预测方法的不足,文章基于有限元分析方法,将复杂的FGM板应力强度因子求解问题转化为简单的FGM板和均匀材料板之间裂纹尖端应力比值计算问题,仅通过使用均匀材料板和FGM板裂纹尖端应力比值、均匀材料板应力强度因子经验公式即可得到任意FGM板应力强度因子值,从而提出了一种基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法。该方法避免了复杂的矩阵运算以及数值积分,仅需建立二维有限元模型即可在保证精确度的基础上快速得到FGM板应力强度因子预测值。通过多组算例对比分析,证明该方法预测精度高,比传统计算方法更为简便,便于工程应用。     

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。     

含中心裂纹的有限加筋板应力强度因子理论分析及数值仿真

基于裂纹问题的复变应力函数、Paris位移公式和变分原理,对板材和筋条均含裂纹的加筋板结构的应力强度因子进行了分析求解。对加筋板离散化,忽略受拉时筋、板弯曲的影响,结合Paris位移公式对加筋板中含中心穿透裂纹的板材在单向拉力 和加筋条的剪力作用下的位移进行了计算;应用变分原理对含边裂纹的加筋条结合筋条和板变形协调方程求解筋条对板的节点剪力作用,从而求解了含裂纹加筋板的问题。采用数值仿真方法分析了应力强度因子随板材和加筋条上裂纹扩展的变化规律,研究了加筋条刚度和加筋条间距变化对裂尖处应力强度因子的影响。     

动态载荷作用下焊接点线弹性裂纹的弯曲扩展路径的预测(英文)

利用二阶摄动方法研究了动态载荷作用下结构线弹性断裂裂纹的弯曲延伸扩展问题并求解了动态应力强度因子。利用二阶摄动方法研究了动载荷作用下裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系。就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的动态裂纹路径。但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则。作为二阶摄动方法的实际运用,研究了焊接结构中动态线弹性裂纹的形态特征和弯曲扩展路径问题,综合考虑了诸如远场动态作用应力、焊接残余应力、局部物质衰变以及不同尺寸的缺陷的存在等因素,绘制出动态载荷作用下退化区域中裂纹弯曲扩展的临界轨迹曲线。     

船体湿表面脉动压力预报的三维非线性方法

本文给出了一种预报船体湿表面脉动压力响应的三维非线性时历模拟方法.计及瞬时物面变化引起的各种非线性因素,在时域内建立船体非线性运动方程.在每一时刻,认为船体以其瞬时平均湿表面为平衡位置做简谐振荡运动,利用三维线性频域解来简化运算.在此基础上,进一步将绕射和辐射问题在静平衡位置求解,仅考虑占主导地位的入射波和静恢复力变化的非线性,作为一种兼顾工程需要的计算精度和计算效率的简化方法.以此方法为基础编制了计算机程序,对实船进行了计算,并与模型试验进行了对比.分析比较表明,该方法能够给出令人满意的船体湿表面脉动压力响应预报结果.     

Two- and three-dimensional hydroelastic modelling of a bulker in regular waves

The relatively high rates of bulk carrier casualties in recent years, as well as structural features such as large deck openings, make this vessel type a suitable example for investigating the influence of hydroelastic modelling on predicting wave-induced loads and responses. Two- and three-dimensional fluid–flexible structure interaction models, due to their different degree of complexity and associated data requirements, can be used at different stages of the design process when estimating wave-induced loads, namely preliminary and detailed design stages, respectively.

In this paper, therefore, two- and three-dimensional hydroelasticity theories are applied to predict and compare the dynamic behaviour of a bulk carrier hull, based on OBO MV Derbyshire, in waves. Both symmetric and antisymmetric motions and distortions are incorporated in these investigations. The three-dimensional structural model consists entirely of shell finite elements, representing all major external and internal structural components, whilst the two-dimensional model is generated using Timoshenko beam finite element and finite difference discretisations. Issues relevant to the structural modelling stage, for both idealisations, are discussed. The in vacuo dynamic characteristics are compared for all models, with particular emphasis on the influence of hatch openings, shear centre and warping on the antisymmetric dynamics of the structure. For the wet analysis the fluid–flexible structure interaction is carried out using two-dimensional (Timoshenko beam and strip theory) and three-dimensional (beam and shell finite element idealisations combined with potential flow analysis based on pulsating source distribution over the mean wetted surface) analyses. Comparisons are made between steady-state responses predicted by two- and three-dimensional models in bow quartering regular waves.

It is shown that whereas the predicted symmetric dynamic responses obtained from two- and three-dimensional models are in good agreement, differences are observed for the antisymmetric dynamic characteristics. It is thought that this may be due to inadequacies in the beam models employed when simulating the global dynamic behaviour of this highly non-prismatic hull girder whilst allowing for the effects of warping.     

应用空间有限元模型进行船舶总振动特性的研究

本文以17500吨货船“海建”号为实例研究应用空间有限元模型计算船舶总振动的方法。对于实际船舶结构中的板,提出用平面应力元简化,以减少计算自由度数,由此产生的问题采用节点主从关系的方法解决。在编制的计算程序中,根据质量矩阵高度稀疏的特点,采用了稀疏存储技术,从而使船舶整体空间模型的振动分析能在国产中小型机器上实现。实例计算结果和测量结果的比较表明,这种计算模型合理、可靠。本文还对船舶总振动计算的梁模型、平面有限元模型、空间有限元模型作了比较和讨论。     

不连续问题的扩展有限元法分析

改进的扩展有限元不需要经过后处理可以直接求得应力强度因子,从而为动态不连续问题的分析提供了便利.研究表明:不连续区域附近的积分方案,特别是裂尖区域的积分方案,对结果精度影响很大.文中采用一种新的积分方案对裂尖和裂缝贯穿单元进行积分,既方便积分,又可以减少计算量.采用改进的扩展有限元模拟了裂纹扩展.对于闭合裂缝,必须考虑缝面间的接触条件;裂缝面间若采用完全接触,得到的结点加强自由度近似为零.由于避免了传统有限元方法中的网格重构,改进的扩展有限元在静态和动态不连续问题分析方面具有广阔的应用前景.     

海洋平台立管系统的三维动态响应仿真研究

海洋平台立管是其生产系统的主要组成部分,立管系统的动力学特性直接影响生产平台的稳定性和安全性,针对海洋平台立管系统动态响应特性的数值分析显得尤为重要。本研究以凝集参数时域分析法对海洋平台立管系统进行三维仿真模拟,用四阶Runge--Kutta法进行积分求解,分析惯性坐标系下海洋平台立管系统的动态响应。     

基于全球定位系统的舰载三坐标雷达动态标校方法

为弥补舰载作战系统试验中传统三坐标雷达标校方法的不足,提高标校效率,提出一种基于全球定位系统(GPS)RTK模式动态标校舰载三坐标雷达的方法。该方法通过实时录取GPS的定位数据,经过坐标变换和插值修正,给出目标运动的约定真值。对所设计和实现的三坐标雷达标校系统精度的试验检查结果表明,该标校系统满足舰载三坐标雷达的标校工作,同时降低了对环境的依赖性,便于操作,距离误差在4 cm以内。     

生产驳船多点系泊定位系统动态响应

导出了多点系泊系统的船舶运动方程,在船舶运动方程中计入了非线性恢复力。缆索分段的三维动态方程中采用了凝集参数模型与平均切向量非线性流体动力载荷处理技术,对某生产驳船系泊问题进行了计算,对受有风、浪、流环境力的系泊船运动方程进行了数值求解,得到了随时间变化的船舶运动和系泊索动态张力,考查了缆索动力学对船舶运动和链张力的影响,并与以前未计入缆索动力影响的准静态结果进行了比较。     

大型船用曲轴磨床整机的动静态性能仿真分析及优化

基于三维仿真分析软件Pro/ENGINEER,建立了大型曲轴磨床的三维几何模型与虚拟样机仿真模型.首先通过Pro/E的多体动力学仿真子模块,对船用曲轴磨床进行曲轴加工时的配重平衡仿真分析,极大减小了曲轴加工时由不平衡引起的激振力.其次采用结构分析模块Pro/Mechanica,对机床床头箱的刚度进行了结构优化分析,不仅提高了曲轴在加工时的支撑刚度,同时也改善了磨床动态刚度.通过以上的仿真分析,优化了曲轴磨床的动静态特性,有效保证了船用曲轴的加工精度.