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原文传递船海结构物疲劳裂纹扩展寿命与可靠性预报方法研究

论文题名：	船海结构物疲劳裂纹扩展寿命与可靠性预报方法研究
关键词：	疲劳裂纹扩展;疲劳载荷谱;应力强度;波浪诱导载荷;船舶结构
摘要：	疲劳是海洋结构物主要的破坏模式之一。因此，疲劳强度校核是船舶结构设计的重要内容。传统的疲劳分析方法基于S-N曲线和线性累积损伤理论，是目前各大船级社和工程上运用的主要方法。然而，由于这种传统的疲劳分析方法不能考虑结构初始缺陷、载荷次序等因素，各大船级社和研究者们逐渐意识到，基于断裂力学的疲劳评估方法是未来发展的趋势，该方法目前成为该领域的研究热点之一。　　基于断裂力学的疲劳寿命评估方法目前在工程上的应用并不多，这主要是因为该方法在预报时仍存在一些问题亟待解决。一般在运用基于断裂力学的疲劳评估方法进行寿命预报与疲劳强度校核时，包含四个方面的内容，即：疲劳载荷谱、裂纹扩展率、断裂参数、失效评定。本文正是在上述背景下，从这四个方面展开课题的，主要内容包括：　　（1）介绍了本文研究的背景，综述了国内外船海结构物疲劳方面研究现状，具体对疲劳载荷谱、裂纹扩展率、断裂参数、可靠性等方面的工程应用做了详细阐述，并指出目前基于断裂力学的疲劳评估方法中的一些不足。　　（2）尝试了一种基于子模型技术的应力强度因子计算方法，该方法结合工程常用的PATRAN有限元模型和ANSYS在应力强度因子计算上的优势，能够计算复杂载荷下焊接细节处的三维裂纹应力强度因子。　　（3）在“波浪诱导交变应力范围的长期分布服从两参数的Weibull分布”假定的基础上构造疲劳载荷谱，并研究 Weibull形状参数对裂纹扩展的影响。以某条船舶的一个疲劳热点为研究对象，对比各大船级社在形状参数计算方面存在的差异。　　（4）通过对谱分析法进行研究，本文基于谱分析法提出了两种疲劳载荷谱构造方法：第一种是根据谱分析法中的长期分布，拟合得到 Weibull分布的两个参数，然后根据 Weibull分布产生疲劳载荷谱；第二种直接从谱分析法中的短期分布产生各个海况下的疲劳载荷块，这些短期分布的疲劳载荷块按照海况出现的概率随机出现，构成寿命期内疲劳热点位置的波浪诱导疲劳载荷谱。　　（5）分别以大型集装箱船高强度厚甲板、半潜式钻井平台立柱与横撑的连接部位为例，详细介绍了基于谱分析短期分布的疲劳载荷谱产生方法、复杂结构焊趾三维裂纹在波浪载荷下的应力强度因子计算方法，预报了结构的疲劳裂纹扩展寿命。　　（6）采用改进的Paris模型，提出了一种裂纹扩展寿命预报快速计算的数值方法，推导了极限状态方程，并结合Monte Carlo模拟，给出了基于断裂力学的可靠性预报流程。以某大型集装箱船船舯甲板为研究对象，对该处的表面裂纹进行了裂纹扩展寿命可靠性预报，并对不确定参数进行了讨论。　　通过上述的研究，本文得出的主要结论如下：　　（1）形状参数对裂纹扩展具有重要影响，形状参数越大，疲劳寿命越短。各个船级社对同一条船舶的同一个疲劳热点位置所计算得到的形状参数差别较大，这必然导致所预报的裂纹扩展寿命存在差异。　　（2）在本文提出基于谱分析产生疲劳载荷谱的两种方法中，第一种方法由于拟合 Weibull两参数的过程中，拟合本身与拟合之前就存在一定误差，这导致裂纹扩展也会出现误差，因此，本文推荐基于谱分析的短期分布来产生船海结构物波浪诱导的疲劳载荷谱。　　（3）通过对简单结构表面裂纹应力强度因子的计算和对比，验证了本文所推荐应力强度因子计算方法的合理性与准确性。通过计算某半潜式钻井平台典型肘板焊趾结构表面裂纹应力强度因子幅，并经验公式结果对比发现，经验公式只能适用于特定的边界约束。因此，对于海洋结构物而言，在计算三维应力强度因子幅时考虑波浪外载荷作用下结构应力响应特点是必要的，而本文推荐的有限元法为此提供了思路。　　（4）将本文推荐的快速计算方法与逐周循环(cycle-by-cycle)的方法进行对比，验证了数值方法的准确性和快速性。此外，载荷的不确定性对可靠性的影响最大，其次是裂纹扩展模型中的Paris常数，而本文采用的改进型Paris模型，能够减小Paris常数C的分散性，体现了该模型的优越性。初始裂纹尺寸的不确定性对可靠性结果的影响较大，而最终裂纹尺寸影响较小，可靠性预报时，可以将最终裂纹尺寸看做是确定量。　　总的来说，本文在基于断裂力学的疲劳评估方法的工程运用上，做了一些探索和尝试，得到了一些有用的结论，为船舶与海洋工程领域断裂疲劳方面的发展提供参考。
作者：	闫小顺
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	黄小平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文