单点腐蚀船体板剩余疲劳寿命的数值计算

船体板在波浪载荷下会受到交变拉/压作用,因此必须考虑疲劳对船体板剩余寿命的影响,尤其是对含点腐蚀船体板剩余寿命的影响。本文对单点腐蚀船体板剩余疲劳寿命进行了数值计算,结果表明:使用二次单元对含蚀坑船体板应力集中系数的计算误差不超过10%,而使用线性单元误差可达40%;蚀坑直径对单点腐蚀船体板疲劳寿命的影响不大,而船体板剩余疲劳寿命随蚀坑深度的增大而迅速减小。可见,对于点腐蚀钢板的应力集中计算,使用而二次单元比使用线性单元更准确;蚀坑深度对单点腐蚀船体板剩余疲劳寿命的影响比蚀坑直径的影响更为显著。     

双点腐蚀对船体板应力集中影响研究

为研究双点腐蚀蚀坑的船外板孔边处的应力集中,以半球形蚀坑为例,建立含半球形蚀坑的船外板有限元模型,对蚀坑大小、蚀坑间距及排列方式对应力集中的影响进行数值计算。研究表明,当蚀坑垂直载荷方向分布时,则孔边应力集中随两孔间距的增大而增大,当2个蚀孔相切时,孔边应力集中达到最大,而后应力集中随蚀坑间距的增大而减小,当蚀坑间距大于3倍蚀坑半径时,2个蚀坑之间的相互影响可忽略不计;当蚀孔平行载荷方向分布时,孔边应力集中大体随蚀坑间距的增大而增大。当蚀坑间距大于5倍半径时,2个蚀坑之间的相互影响可以忽略不计。该研究可为考虑腐蚀的老龄舰艇强度计算提供参考。     

单点腐蚀参数对船体板应力集中影响研究

为了研究含圆柱形单点腐蚀蚀孔的船外板孔边处的应力集中,建立了含圆柱形蚀孔的船外板有限元模型,对初始载荷的大小、蚀孔深度及半径对应力集中的影响进行了数值计算,基于最小二乘法拟合出了应力集中系数随蚀孔深度的变化曲线,研究表明,含圆柱形蚀孔的船外板孔边应力集中系数与初始载荷的大小无关,随孔深的增大而增大,随孔半径的增大而减小,且相对于孔半径的变化,孔深的变化对应力集中的影响更为明显。该研究可为考虑腐蚀的老龄舰艇强度计算提供参考。     

点蚀损伤板在复杂受力状态下的极限强度研究

采用非线性有限元软件模拟船底板单面点腐蚀,通过对边缘载荷系数比、蚀坑分布、直径、深度的改变,经过一系列的数值计算分析,结果表明横向载荷和侧压对板的极限强度影响不可忽略,计算板的极限承载能力时需要考虑计及侧压与横向载荷。在复杂受力状态下,就单考虑蚀坑深度时,板表面的蚀坑深度在0~0.5t区间变化时,极限强度相应的折减率比大于1/2板厚时更大,极限强度对蚀坑深度更加敏感。腐蚀面积不能有效表征腐蚀程度,当DOP系数相同时,点蚀后板的最小横截面决定了极限强度的大小。     

点蚀损伤对疲劳裂纹扩展影响规律研究（英文）

基于扩展有限元方法和低周疲劳分析技术,针对带点蚀构件,探究点蚀形式和点蚀尺寸对疲劳裂纹扩展的影响规律,并提出锥形蚀坑构件的疲劳裂纹扩展寿命周期预测公式。结果表明：当蚀坑深度和半径相同时,锥形蚀坑构件的疲劳裂纹扩展寿命最短,锥形蚀坑与疲劳损伤耦合效应最大,是工程中最危险的点蚀形式;锥形蚀坑的半径和深度对裂纹扩展的影响具有交互性,深度是较为重要的耦合影响参数。     

含坑点腐蚀的壳体有限元方法

建立了坑点腐蚀壳板的分层模型(腐蚀层+完好层),求出了腐蚀层的等效材料常数(等效弹性模量和等效泊松比)。开展了坑点腐蚀的应力集中分析,坑点腐蚀壳板的应力集中可分为薄膜应力集中和弯曲应力集中。以超参数壳元为基础推导了坑点腐蚀壳体单元,导出了坑点腐蚀壳体单元的刚度矩阵和等效结点载荷向量的有限元表达格式,单元刚度矩阵通过沿壳体厚度方向的分段积分求得,在积分时腐蚀层的材料常数取力学等效的材料常数,在计算单元等效结点载荷向量时考虑了由腐蚀引起的偏心载荷,在求解单元应力时考虑了坑点腐蚀应力集中的影响,并对应力进行了相应修正。     

含坑点腐蚀的壳体有限元方法

建立了坑点腐蚀壳板的分层模型(腐蚀层+完好层),求出了腐蚀层的等效材料常数(等效弹性模量和等效泊松比).开展了坑点腐蚀的应力集中分析,坑点腐蚀壳板的应力集中可分为薄膜应力集中和弯曲应力集中.以超参数壳元为基础推导了坑点腐蚀壳体单元,导出了坑点腐蚀壳体单元的刚度矩阵和等效结点载荷向量的有限元表达格式,单元刚度矩阵通过沿壳体厚度方向的分段积分求得,在积分时腐蚀层的材料常数取力学等效的材料常数,在计算单元等效结点载荷向量时考虑了由腐蚀引起的偏心载荷,在求解单元应力时考虑了坑点腐蚀应力集中的影响,并对应力进行了相应修正.     

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.     

点蚀板在纵向压力下的极限强度研究

本文着眼于老龄化船舶结构上的局部点状腐蚀和整体点状腐蚀,利用非线性有限元软件分析了超过100个船体板结构的极限强度。研究了蚀坑形状、蚀坑位置、蚀坑大小、蚀坑深度和板的柔度对含局部点状腐蚀船体板的极限强度的影响,蚀坑分布、板的柔度和腐蚀体积对含点状腐蚀船体板的极限强度的影响。拟合出了单面、双面局部点状腐蚀下的船体板极限强度折减公式,单面、双面点状腐蚀下的船体板极限强度折减公式。并得到同时适用于局部和整体点状腐蚀板极限强度的公式。     

含坑点腐蚀的深海耐压球壳有限元分析

对于含坑点腐蚀等局部缺陷的球壳结构,由于结构的不连续性以及缺陷部位应力状态的三维特性,因此很难用传统的连续介质理论及板壳理论进行求解。为了对含坑点腐蚀的球壳的强度、稳定性进行精确分析,文中分别采用坑点腐蚀壳体单元(Pitting Corrosive Shell Element,PCSE)、基于多点约束(Multipoint Constraint,MPC)的壳体单元-实体单元集成以及实体单元三种方法进行对比计算,对比结果表明,采用PCSE方法的计算效率最高,且计算结果的精度满足工程应用要求。最后,基于PCSE方法并通过方差分析,讨论了坑点腐蚀对球壳强度及稳定性的影响。     

对接接头焊趾应力集中有限元分析

研究焊缝几何参数对应力集中的影响,对于提高焊接结构疲劳强度有重要的意义.本文采用有限元方法,计算了双侧对称加强高和单侧加强高的对接接头焊趾处的应力集中系数,分析了几个主要参数,包括焊趾倾角、焊趾过渡圆弧半径和板厚对于应力集中系数的影响,研究了焊趾处应力集中沿板厚方向的变化情况,在分析大量计算结果的基础上给出了估算两种形式的对接接头应力集中系数的经验公式.结果表明,减小焊趾倾角,增大过渡圆弧半径,可以减缓焊趾处截面形状的变化,改善焊趾处的应力集中;板厚的增加使得应力集中系数增大.并且单侧加强高的对接接头应力集中系数小于双侧对称加强高对接接头的,其减小幅度只与θ有关.     

金属表面点蚀的稳态过程数值研究

[目的]腐蚀会严重影响舰船设备的使用寿命,了解腐蚀机理及对腐蚀进行预测能有效地减缓腐蚀对舰船设备的危害。[方法]构建了格子Boltzmann腐蚀模型,该模型可描述包含多相多组分流动与扩散、电化学反应和金属点蚀的稳态全过程。应用此模型,研究浸没于液体腐蚀环境中的金属表面单坑点蚀稳态过程;分析腐蚀化学反应速率、腐蚀溶液扩散系数、腐蚀产物扩散系数对腐蚀程度的影响。通过数值模拟,获得金属表面点蚀坑的形貌变化特征。[结果]结果显示,对于金属表面单坑点蚀的稳态过程,由于钝化膜与金属基体构成了"大阴极,小阳极"的电化学腐蚀体系,使腐蚀稳态点蚀将持续向金属材料基体的纵深发展,并且初生蚀孔除自身发生点蚀外,还将在蚀孔底部产生次生蚀孔。在不同影响因素下,腐蚀程度随腐蚀反应速率和反应物组分扩散系数的增大而增大,而随腐蚀产物扩散系数的增大而减小。[结结论]通过该腐蚀模型,可模拟出与真实金属相近的腐蚀形貌变化特征。     

钢管桩环形焊缝应力集中系数的数值研究

钢管桩广泛应用于海港码头结构中,很多情况下钢管桩需要由多根通过环形对接焊缝连接的管节组装而成。焊接热循环过程在焊缝处残留角变形,该变形将加重焊缝处应力集中程度,大大降低钢管桩的疲劳寿命。本文首先介绍现有板-板对接焊缝角变形应力集中系数计算公式。然后,建立包含角变形钢管桩环形对接焊缝的有限元模型。基于有限元模型,揭示管径参数对应力集中系数的影响规律,探讨板-板公式在钢管桩环形对接焊缝角变形应力集中系数计算上的适用性。本文的研究结果可为工程设计提供参考。     

FPSO节点焊趾处的裂纹修理形状研究

对焊缝处出现的裂纹进行修理以阻止其进一步扩展,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,要谨慎选取修理时所采用的形状和尺寸,避免在修理后产生的表面缺陷处出现过高的应力集中.文中旨在进行三维T型焊接节点焊趾处的裂纹修理分析,为了选取合理的修理切口,首先对不同几何形状和尺寸的二维焊接修理切口,如抛物线型和椭圆型等,进行了应力集中系数的计算,并与相类似尺寸的U型切口的计算结果进行了比较.结果表明,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.随后,选择应力集中较小的椭圆型和U型切口焊接修理形状,并采用更加精确的三维有限元分析方法进行分析,给出了通过打磨等修理方式消除裂纹后得到的三维表面缺陷的应力集中系数,为工程上焊趾处裂纹的修理提供决策依据.     

海上采油平台桩腿同时存在腐蚀与疲劳损伤时的寿命预测

介绍了在海水腐蚀环境中的疲劳寿命试验,给出了试验得出的S-N曲线及da/dN-△K曲线,得出了服役海上平台的桩腿的疲劳损伤计算方法.考虑了海水中的均匀腐蚀损伤及点蚀损伤,给出了这些腐蚀损伤的计算方法.根据疲劳与蚀损伤的综合评价,给出了桩腿寿命的预测方法.     

船体外加电流阴极保护的研究和应用

海水中总含盐量为30‰左右,相当于0.5当量的氯化钠溶液。由于海水中含氯离子多,导电性高,是较强的电介质,因此船舶在海水中腐蚀比较严重。根据日本造船协会对28艘油船调查结果,平均腐蚀量为0.205毫米/年,所调查的船中,有的船体仅二年就有深2～5毫米,直径10～20毫米的蚀坑。我国船舶腐蚀较严重的如远洋货船“向阳”号及“福州”号。“向阳”号1968年11月下水,1972年1月进坞修理,发现船壳板最大蚀坑深度达6～7毫米,焊缝处最大蚀坑深度达3～6毫米,     

点蚀、裂纹损伤对船用加筋板剩余极限强度的影响

[目的]长期服役于恶劣海洋环境中的船舶与海洋工程结构,不可避免地会产生裂纹和点蚀,这些损伤会对结构的极限承载能力产生较大影响。为探讨裂纹、点蚀同时存在时对结构承载能力的影响,[方法]采用非线性有限元法开展含裂纹、点蚀损伤的加筋板在轴向压载作用下的极限强度研究。在讨论网格尺寸对含裂纹、点蚀损伤加筋板极限强度影响的基础上,开展裂纹点蚀坑相对位置、点蚀数目、裂纹长度对含裂纹、点蚀损伤加筋板剩余极限强度的影响。[结果]计算结果表明,裂纹长度、点蚀的增加会使加筋板的剩余极限强度下降明显。[结论]这些结果可用于指导全寿期船舶与海洋工程结构的设计与维护。     

点蚀损伤下纵向受压船体加筋板极限强度计算

基于实船点蚀损伤勘验数据,通过有限元数值计算法分析了点蚀分布、深度和面积等点蚀特征参数对船体加筋板极限强度的影响规律,给出了以点蚀深度和点蚀面积双参数的点蚀加筋板极限强度公式。结果表明:在点蚀不穿孔且点蚀面积低于10%条件下,当点蚀面积和点蚀深度一定时,蚀点分布造成的船体加筋板极限强度最大波动值低于2%;点蚀面积和点蚀深度对加筋板极限强度的影响是交互非独立的;基于点蚀面积、深度给出的双参数加筋板极限强度计算公式计算精度较高,满足工程需要。     

基于J积分的含裂纹加筋板在单轴拉伸载荷下的极限强度计算

为研究含裂纹加筋板的极限拉伸强度,本文建立一系列不同长细比、不同裂纹长度、不同裂纹位置的含裂纹加筋板有限元模型,并基于J积分理论对其在单轴拉伸载荷下的极限强度进行了计算。结果发现含裂纹加筋板极限拉伸强度随加筋板长细比的增大略有减小,但减小的程度并不明显;含裂纹加筋板极限拉伸强度随裂纹长度的增大而减小,且减小的幅度逐渐增大;加强筋上的裂纹对含裂纹加筋板极限强度的影响小于底板上的裂纹,而裂纹同时出现在底板和加强筋上时对含裂纹加筋板极限拉伸强度的影响最大。表明含贯穿型裂纹的加筋板在单轴拉伸载荷下的剩余强度对加筋板长细比不敏感,而对裂纹长度较为敏感。     

基于J积分的含裂纹加筋板在单轴拉伸载荷下的极限强度计算

为研究含裂纹加筋板的极限拉伸强度,本文建立一系列不同长细比、不同裂纹长度、不同裂纹位置的含裂纹加筋板有限元模型,并基于J积分理论对其在单轴拉伸载荷下的极限强度进行了计算。结果发现含裂纹加筋板极限拉伸强度随加筋板长细比的增大略有减小,但减小的程度并不明显;含裂纹加筋板极限拉伸强度随裂纹长度的增大而减小,且减小的幅度逐渐增大;加强筋上的裂纹对含裂纹加筋板极限强度的影响小于底板上的裂纹,而裂纹同时出现在底板和加强筋上时对含裂纹加筋板极限拉伸强度的影响最大。表明含贯穿型裂纹的加筋板在单轴拉伸载荷下的剩余强度对加筋板长细比不敏感,而对裂纹长度较为敏感。