船用铝合金板架结构典型节点的疲劳试验研究

本文针对船用铝合金板架结构典型节点的疲劳性能开展了试验研究。首先采用X射线对焊缝部位进行了拍照,获得了焊缝处的微观缺陷特征;然后进行板架的极限承载能力试验,得到板架的极限载荷水平;接着采用不同载荷水平进行反复载荷作用下的疲劳试验,获得了不同载荷水平下典型节点的疲劳寿命和破坏模式。试验结果表明:船用铝合金板架结构典型节点的疲劳寿命与测点应力呈双对数线性关系,即随着对数测点应力的增大,对数疲劳寿命呈线性下降趋势;而焊缝缺陷形式直接关系到节点的疲劳破坏模式与疲劳寿命。研究结果可为船用铝合金板架结构的承载能力评估与焊接工艺设计提供参考。     

循环载荷作用下铝合金船体板架结构疲劳特性研究

为研究铝合金船体板架结构疲劳特性,寻求循环载荷作用下船体板架结构疲劳寿命变化规律。本文以铝合金船体板架结构为研究对象,设计制作不同节点实尺度板架模型,开展循环载荷作用下铝合金船体板架结构疲劳试验,获取试验中测点应力与循环加载次数等数据,并采用Ansys/Fe-safe平台建立模型进行疲劳仿真分析,将仿真得到节点板架S-N曲线与试验结果进行对比分析。结果表明:1)铝合金板架结构疲劳破坏模式存在一般性规律,节点2板架疲劳性能更好;2)试验与仿真得到节点板架疲劳裂纹萌生及破坏位置一致,且试验测得热点应力、循环寿命与仿真水平基本相当,揭示了节点板架结构断裂原因在于高载循环应力下产生的疲劳损伤;3)拟合得到试验与仿真S-N曲线吻合度较高,且试验曲线更偏于保守、安全。研究成果可为铝合金船体板架结构疲劳强度评估及寿命预测提供参考。     

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。     

焊接变形和应力对甲板板架极限强度的影响

船舶建造过程中,焊接引起的结构变形和应力对船舶结构性能产生影响。以典型船舶甲板板架为例,研究焊接初始缺陷对甲板板架极限强度的影响。采用数值仿真方法模拟甲板板架的焊接过程,获得结构焊接变形和残余应力,对含初始缺陷的板架结构施加轴向压缩载荷,计算板架结构的极限强度,并与理想结构进行比较研究。结果表明,轴向压缩载荷下,甲板板变形过大是引起板架整体失稳的主要因素;焊接变形及残余应力显著地削弱甲板板架极限承载能力,焊接初始缺陷降低甲板板架整体刚度,影响结构失效模式。     

不同扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳试验

采用试验形式研究矩形扶强材和削斜扶强材结构形式的某铝合金船体纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能。首先建立舱段结构的有限元模型(目标船纵骨采用6082铝合金,其他部分采用5083铝合金材料),确定载荷工况并计算分析2种扶强材结构在相应载荷水平下的应力分布状态。在此基础上,设计并开展实际板厚4点弯曲疲劳模型试验,获得试验模型在不同载荷水平下的疲劳失效循环次数,根据试验测得数据得到2种扶强结构形式的S-N曲线。试验结果表明,矩形扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能优于削斜扶强材形式,该结论可为舰船上纵骨贯穿舱壁结构处节点形式的设计以及5083、6082铝合金焊接结构形式(T型焊接和趾端焊接)的疲劳强度评估提供依据。     

不同扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳试验

为了研究矩形扶强材和削斜扶强材结构形式的某铝合金船体纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能，对此进行了试验研究。首先建立舱段结构的有限元模型（该目标船纵骨采用6082铝合金，其他部分采用5083铝合金材料），确定载荷工况并计算分析两种扶强材结构在相应载荷水平下的应力分布状态。在此基础上，设计并开展了实际板厚四点弯曲疲劳模型试验，获得了试验模型在不同载荷水平下的疲劳失效循环次数，并且根据试验测得数据得到了两种扶强结构形式的S-N曲线。试验结果表明矩形扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能优于削斜扶强材形式，该结论可为舰船上纵骨贯穿舱壁结构处节点形式的设计以及5083与6082铝合金焊接结构形式（T型焊接和趾端焊接）的疲劳强度评估提供依据。     

含初始裂纹铝合金板在反复冲击载荷下的动态响应

[目的]为研究含初始裂纹铝合金板在反复冲击载荷作用下的动态响应影响,[方法]通过开展铝合金板的反复冲击试验和有限元仿真研究,分析在反复冲击载荷下铝合金板的动态响应特性,比较完整铝合金板和含初始裂纹铝合金板在反复冲击载荷作用下的冲击力和破坏模式。[结果]试验结果与仿真计算取得较好的吻合。结果表明,在反复冲击载荷作用下,铝合金板对初始裂纹较为敏感;初始裂纹会降低铝合金板的承载能力,使得冲击力减小,反复冲击直至失效的冲击次数减小;含初始裂纹铝合金板的破坏模式也会受到影响。[结论]研究结果可对铝合金船体外板的结构强度计算和评估提供一定的依据和参考。     

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。     

邮轮典型开孔高腹板板架结构极限强度分析

[目的]开孔高腹板板架结构是在大型邮轮上层建筑中广泛使用的一类特殊结构,为建立此类结构的设计方法,需充分掌握大型邮轮上层建筑典型开孔高腹板板架结构的力学特性.[方法]综合运用经典加筋板理论与非线性有限元方法,分析甲板初始缺陷、纵桁规格、腹板开孔对板架纵向受压极限承载能力的影响规律.[结果]发现薄板板架对于初始缺陷更为敏...     

船体纵骨典型节点疲劳裂纹扩展寿命评估

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发出模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨典型节点在侧面压力作用下进行疲劳裂纹扩展数值模拟,并探讨了软趾、背肘板及防倾肘板对疲劳裂纹扩展路径和寿命的影响。结果表明,增设软趾、背肘板或防倾肘板都会使裂纹扩展路径曲率增大,且软趾、防倾肘板可使裂纹扩展寿命增大,背肘板可使裂纹扩展寿命减小。     

钢制金属I型夹芯板界面疲劳脱粘特性分析

[目的]针对金属I型夹芯板界面的脱粘失效破坏,开展金属夹芯板界面疲劳脱粘特性分析。[方法]基于内聚力模型理论,考虑时间历程、三维结构节点多自由度的损伤演化方程与收敛判定准则,开发适用于三维复杂结构的界面疲劳脱粘模拟程序;与焊接接头脱粘实验结果进行对比,验证所开发程序的准确性,并进一步对钢制金属I型夹芯板的界面疲劳脱粘行为进行数值模拟。[结果]结果显示,所开发的三维界面疲劳脱粘数值模拟程序与焊接接头脱粘实验间最大的模拟误差仅为14.05%;I型夹芯板承受面外载荷时,夹芯板界面处的脱粘破坏主要表现为沿焊缝方向的表面裂纹扩展,当裂纹扩展至夹芯板长度的70%左右时,裂纹开始贯穿腹板形成贯穿裂纹。[结论]所开发的三维复杂结构界面疲劳脱粘程序可以实现对金属夹芯板界面疲劳脱粘寿命的有效评估,对实际工程应用具有一定的指导意义。     

HTS-A钢对接接头的双轴疲劳试验研究

开展了HTS-A钢对接焊接试件的双轴疲劳试验.通过一组试件在纵向受弯和垂向受压循环载荷作用下的试验研究,得到了不同双轴载荷比情况下的试件断口形式及疲劳寿命.根据试验过程中记录的裂纹扩展数据,回归了不同载荷比情况下的Paris公式,从而推算裂纹扩展寿命.进而通过总寿命减去裂纹扩展寿命得到裂纹的萌生寿命.结果表明,垂向循环压力载荷缩短了试件的疲劳寿命,且对萌生寿命的影响大于对扩展寿命的影响.     

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.     

带初始裂纹的潜艇典型焊接节点试件疲劳寿命分析

对带初始裂纹的潜艇典型焊接节点试件进行疲劳寿命有限元分析研究,并加工制造了典型焊接节点试件,对其进行疲劳试验,试验结果与数值分析结果基本吻合,说明对潜艇典型焊接结构的有限元应力分析、疲劳寿命分析的方法是正确可行的.     

双轴加载下船底纵骨疲劳寿命试验与数值模拟研究

以实尺度制作了疲劳试验的试件,对45000DWT江海直达散货船船底纵骨与水密及非水密实肋板连接处进行了双轴恒幅循环载荷下的疲劳试验,记录了热点处的疲劳裂纹扩展长度和对应循环次数,获得船底纵骨疲劳特性;根据不同节点处裂纹萌生和扩展情况,得出非水密节点处是疲劳危险处;用动态应变仪记录热点处的应变,根据新版《船体结构疲劳强度指南》中的热点应力法计算热点应力,用试验数据拟合了一条S-N曲线,与指南提供的D曲线进行了对比分析,验证了D曲线的合理性。同时用MSC.Patran软件建立有限元模型,选取2007版《船体结构疲劳强度指南》中名义应力法对应结构形式的F曲线,用MSC.fatigue模块计算了相应节点的总疲劳寿命,将有限元结果和试验结果进行对比,验证了热点应力法的准确性。     

带初始裂纹的潜艇典型焊接节点试件疲劳寿命分析

对带初始裂纹的潜艇典型焊接节点试件进行疲劳寿命有限元分析研究，并加工制造了典型焊接节点试件，对其进行疲劳试验，试验结果与数值分析结果基本吻合，说明对潜艇典型焊接结构的有限元应力分析、疲劳寿命分析的方法是正确可行的。     

圆锥壳大型开孔围栏焊缝裂纹疲劳寿命分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究受均布压载荷的圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构中的疲劳寿命问题。[方法]以某水下耐压结构模型作为研究对象,构建有限元模型,使用结构应变方法获取该结构的疲劳危险点并计算该点处疲劳寿命。将计算结果与该水下耐压结构模型的试验数据进行对比,验证结构应变方法在此类结构疲劳寿命评估中的准确性。[结果]结果表明,结构应力最大部位出现在围栏焊缝靠近模型大端一侧,与试验中疲劳裂纹出现位置一致。结构应变方法计算得到的疲劳寿命与实际试验结果基本吻合,实际试验中的疲劳数据落在主e-N曲线的一条窄带上;围栏焊缝危险点处正向结构应力远大于切向结构应力。[结论]结构应变方法可以较好地解释圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构的疲劳寿命问题,在此类载荷条件下,危险点处初始裂纹应当为一型。     

LNG船纵骨端部表面裂纹疲劳扩展寿命计算

基于断裂力学的裂纹扩展方法预报液舱纵骨端部的疲劳寿命。采用有限元软件对液舱纵骨端部节点处表面裂纹应力强度因子进行系列计算,并在BS7910经验公式的基础上拟合出趾端的应力强度因子修正系数经验公式。将采用该公式得到的结果与有限元计算结果相对比,结果表明二者能较好地吻合,该公式可应用到类似端部结构裂纹扩展应力强度因子的计算中。按挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)规范的要求组合热点主应力幅值,并按降序对各载荷块构造液舱疲劳热点载荷谱,结合修正公式系数经验计算液舱纵骨端部趾端的裂纹扩展寿命,预报的疲劳寿命满足要求。     

船体纵骨疲劳裂纹扩展及寿命分析

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发了模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨节点疲劳裂纹扩展进行数值模拟,并探讨侧向压力和轴向拉力这两种载荷对疲劳裂纹扩展路径和疲劳寿命的影响。结果表明,两种加载方式下裂纹扩展路径不同,且面板断裂前的疲劳寿命在总寿命中占据很大的成分。     

板架弯曲二次应力对纵骨疲劳评估影响的研究

为了验证散货船、油船协调共同规范(HCSR)中在计算纵骨疲劳寿命时不考虑板架弯曲纵骨二次应力的合理性,讨论两种二次应力的计算方法,分别对散货船和油船板架的纵骨的二次应力进行计算,通过对是否考虑纵骨二次应力计算得到的疲劳寿命进行对比,验证HCSR中简化算法计算纵骨疲劳寿命的合理性。