中心穿透裂纹板在复杂载荷作用下的剩余极限强度分析

为了深入研究复杂载荷作用下的含中心穿透裂纹板的剩余极限强度,利用弹塑性有限元分析方法对现有的具有中心穿透裂纹板进行了双向拉伸载荷下的极限拉伸强度分析,得到了与实验结果比较吻合的结果;系列有限元计算结果表明,结构剩余极限强度随有效裂纹长度的增大而线性降低,并推导了具有较高精度的极限拉伸强度计算公式;最后对轴向压缩载荷作用下的具有初始挠度的中心穿透裂纹板进行了剩余极限强度分析,分析了裂纹参数和结构初始缺陷对其相对剩余极限强度的影响.计算结果表明,此时结构的剩余极限强度主要取决于结构中存在的初始缺陷的大小.     

穿透裂纹薄板拉伸强度影响参数的有限元分析

对穿透裂纹薄板拉伸强度的影响参数进行了有限元分析.分析结果表明,具有穿透裂纹的薄板的拉伸强度受到板的材料屈服强度、泊松比,裂纹长度、开裂角度、开裂位置,板的长宽比、厚度,边界加载条件以及有限元分析网格精度的影响.文中给出了这些因素的影响曲线以及考虑影响参数的穿透裂纹薄板拉伸强度经验计算公式.     

具有中心穿透裂纹缺陷的矩形板极限拉伸强度分析

本文利用弹塑性有限元分析结果对现有的裂纹板的拉伸极限强度简化公式进行了修正，得到了与实验结果比较吻合的修正公式，并且以受单向拉伸、具有中心穿透裂纹的正方形板为例，借助弹塑性断裂力学的理论推导了断裂控制基础上该材料的极限拉伸强度计算公式，从而从理论上解释了修正公式的合理性。     

含中心裂纹的有限加筋板Dugdale模型

建立了含中心裂纹有限板弹塑性断裂问题分析的Dugdale模型,基于Muskhelishvili关于平面弹性力学解析函数解法,运用线弹性理论的叠加原理对Dugdale模型进行求解.以裂纹尖端开口位移值为弹塑性情况下表述裂纹力学特征的断裂参数,经过实例计算,给出了不同裂纹长度、不同载荷作用下含中心裂纹有限加筋板的系列断裂参数值.     

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.     

二轴低周疲劳载荷下船体裂纹板累积塑性与断裂性能分析

恶劣海况中在多轴高应力、低循环交变载荷作用下,船体结构不仅会出现多轴低周疲劳破坏,而且还存在着明显的累积塑性破坏。应变强度因子ΔK_ε、J积分是评估船体结构二轴低周疲劳裂纹扩展断裂失效的重要控制参数。本文重点研究了二轴低周疲劳载荷作用下船体裂纹板的累积塑性规律以及二轴低周疲劳裂纹断裂参数。利用有限元数值模拟分析了二轴低周疲劳载荷下不同平均应力、应力幅和二轴应力比等相关因素对应变强度因子、J积分的影响,为正确评估船体裂纹板二轴低周疲劳裂纹扩展断裂行为提供了基础。     

压缩与剪切联合载荷作用下矩形板格的极限强度分析

当船舶在波浪中航行时,一般认为为船体结构基本单元的矩形板处于联合载荷作用之下,为了评估板单元在这种情况下的极限强度,讨论了矩形板在压缩与剪切应力联合作用下的特性。该研究分三步进行;第一步是运用伽辽金（Galerkin)法对板进行弹性屈曲分析;第二步是在材料刚塑性的假定下进行塑性破坏分析;第三步是综合弹、塑性分析的结果,进行极限强度分析。在整个分析中,对压缩与剪切应力在联合载荷中所占比例的不同情况进行了计算,而且还考虑了初始缺陷对于极限强度的影响。     

裂纹尖端塑性区三维有限元分析

裂纹尖端塑性区的大小与其三维约束状态有关,而三维约束状态不仅与板厚还与外载荷、材料性质有关.因此不论是薄板还是厚板,用平面应力或者平面应变来模拟其状态都有局限性.现阶段对于三维约束状态下的裂纹还没有一个公认的可以准确计算塑性区大小的公式.文章用有限元对小范围屈服下,含Ⅰ型中心穿透裂纹板裂纹尖端的三维塑性区进行了研究,分析了硬化指数、屈服强度以及泊松比对塑性区大小的影响.计算从平面应力逐渐过渡到平面应变,结果与现有理论的预测结果进行比较,进而给出了一个计算裂纹尖端塑性区大小的计算公式.     

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。     

船体裂纹板双轴非比例低周疲劳载荷下累积塑性行为研究

在恶劣海况中伴随着多轴高应力、低循环交变载荷作用下，船体结构不仅会出现多轴低周疲劳破坏，而且还存在着明显的累积塑性破坏。本文通过实验研究在双轴非比例低周疲劳载荷作用下，材质为Q235钢的船体斜裂纹板累积塑性损伤行为，提出双轴非比例低周疲劳载荷下基于累积塑性的裂纹板双轴非比例低周疲劳寿命预测模型。通过分析不同双轴非比例低周疲劳载荷下裂纹板的应力应变迟滞回线，重点探究不同双轴比、应力比和相位差等对低周期疲劳累积塑性变形的影响。研究结果可为准确评估在双轴非比例低周疲劳作用下船体结构断裂破坏行为提供重要依据。     

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.     

具有裂纹缺陷的加筋板的剩余拉伸强度分析

对具有裂纹缺陷的加筋板的剩余强度进行了数值分析.考虑了加筋板上的三种缺陷形式,即板和筋上的垂直裂纹,板和筋上的倾斜裂纹以及板上的裂纹和筋上的圆孔.对板和筋上的相对裂纹长度、材料属性、板和筋的厚度、裂纹开裂角度以及圆孔的直径等影响参数进行了分析.同时,将无加筋板剩余强度的经验公式推广到加筋板,并验证了公式的有效性.     

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.     

深海超高压环境模拟容器裂纹评定

深海超高压环境模拟容器用于模拟水下压力环境,其容器壁上承受反复载荷,容易产生疲劳裂纹.疲劳裂纹扩展是影响其断裂的主要因素.本文旨在分析半椭圆裂纹在老化的深海超高压环境模拟容器中的扩展行为,评估容器的安全性,因此对材料20MnMoNb钢的裂纹扩展特性进行了试验研究,首先考虑三角形和梯形加载情况,通过比较两组实验结果,考察了其材料对保载时间的敏感性.采用基于统一的裂纹扩展率模型的三维有限元方法进行了疲劳裂纹扩展计算,并通过CT试样的一组数值和实验结果进行了验证,最后建立了不同初始尺寸、展弦比和倾角的裂纹有限元模型,并根据裂纹在容器内壁的容许深度准则,计算了容器的剩余寿命.其分析结果可为深海超高压环境模拟容器可靠性评估提供参考.     

基于裂纹缺陷的水下耐压壳体结构强度与稳定性研究

本文针对初始裂纹缺陷下的水下耐压壳体结构强度与稳定性失效问题。首先建立CT裂纹扩展试件的仿真模型,通过与试验结果比对验证裂纹仿真模型的有效性。随后建立无缺陷状态下的水下耐压结构有限元模型,对其强度与稳定性进行校核。在此基础上引入裂纹缺陷,建立非线性耐压结构强度与稳定性分析模型,研究不同裂纹缺陷参数对于结构强度与稳定性的影响规律,为结构裂纹扩展与寿命问题的研究提供技术支撑。     

基于奇异强度理论的疲劳特性评估方法

疲劳是海洋结构物破坏的重要因素,为简化舰船结构疲劳评估方法,基于线弹性断裂力学和切口应力强度理论,针对典型薄板结构研究拐角节点处的应力强度,分析结构形式,利用ANSYS有限元模拟和MathCAD函数拟合,分别给出计算应力强度因子的＂奇异权函数法＂和＂奇异等效裂纹法＂的研究方法,同时给出简便算法和经验公式。进而应用Paris裂纹扩展法则进行结构奇异强度疲劳特性评估,并结合S-N曲线分析拐角节点处的应力集中,得到与结构尺寸相关的＂奇异应力集中系数＂函数。最后,针对切口应力,提出有限元分析所需要的＂奇异应力等效取值点＂的参考位置。希望能将奇异强度理论纳入船舶结构疲劳强度校核规范中做参考。     

Collapase analysis of ship hulls

This paper presents an efficient finite element procedure for the collapse analysis of ship hulls under complicated loads. A set of finite elements, such as beam-column elements, stiffened plate elements, and shear panel elements are developed, directly accounting for the geometrical and material non-linearities and initial imperfections.

Elastic-plastic stiffness matrices for elements have been derived by combining elastic large displacement analysis theories with a plastic hinge model. The buckling and post-buckling behaviour of plates is included using an effective width concept. The procedure is effective, since few mode-points are necessary and numerical integration for evaluating stiffness matrices is avoided. Fracture mechanics criteria are introduced in order to account for tension tearing rupture and brittle failure of the material.

Practical applications to ultimate longitudinal strength analysis of ship hulls and tanker collision analysis are presented. The procedure can also be used for collapse analysis of offshore and onshore structures.     

含裂纹集装箱船厚甲板剩余极限强度时变衰减及维修建议

研究含初始裂纹集装箱船厚甲板的裂纹扩展及对剩余极限强度时变衰减的影响对于船舶的安全运营有很重要的意义。以8530TEU集装箱船为例,对含裂纹板进行剩余极限拉伸强度计算。计算结果表明：寿命期内板的裂纹扩展有一临界值,当大于该临界值,裂纹扩展急剧增加,剩余拉伸强度也迅速减小,3-5年内板就会发生断裂。因此,建议在第10年对目标甲板进行一次大的检测维修,对裂纹扩展严重的构件的进行更换。     

Development of super element to perform direct analysis on failure assessment of hull structures based on FAD

Failure assessment diagram (FAD) has great potentials to be a powerful tool to assess the integrity of hull structures. However, the current methodology to obtain the fracture ratio and the load ratio, two axes of FAD, for hull structures is tedious and burden which is one of the major obstacles to advance the further application of FAD. In this paper, a super element is introduced to obtain those two ratios simultaneously in the framework of linear elastic analysis within a single step. Besides, the virtual section closure technique is proposed to compute the reference stress under the inspiration of virtual crack closure technique to compute the stress intensity factor. The capacity of the proposed super element has been assessed by two classic examples of a plate with central crack and a cylinder with circumferential crack. The results obtained from the super element are compared to the corresponding analytical solutions. Finally, the cracked Nishihara specimen (NST-3) was examined and the facture ratio and the load ratio obtained by the super element were compared to those obtained by the global analyses. The comparisons indicate that the proposed super element is accurate. No convergence troubles were encountered. Therefore, the methodology developed in this paper could be a very useful addition to perform the direct analysis on the failure of hull structures due to large crack extensions based on the failure assessment diagram.