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原文传递船海结构物疲劳热点裂纹应力强度因子及其扩展路径预报方法研究

论文题名：	船海结构物疲劳热点裂纹应力强度因子及其扩展路径预报方法研究
关键词：	海洋平台;船舶结构;裂纹扩展;风浪载荷;应力强度;焊接结构
摘要：	船舶和海洋平台作为大型焊接结构，由于受海上复杂风浪载荷作用，其疲劳热点处的应力场复杂多变。为了预报含裂纹结构的剩余寿命，必须精确计算复杂应力场中裂纹扩展路径和应力强度因子。本文对船舶与海洋工程结构中的疲劳热点结构形式进行了研究，总结了求解典型节点应力强度子的方法。研究了复杂应力场中的裂纹扩展路径以及残余应力和结构冗余对裂纹扩展路径的影响。主要内容总结如下：　　（1）将 CCS在规范中规定的疲劳评估节点分为四类，分别使用三维有限元方法求解第一类、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；第三类节点裂纹应力强度因子修正系数在整个范围内较 BS7910公式大。且第二类节点、第三类节点裂纹应力强度因子修正系数和BS7910公式结果相差都较大。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。　　（2）定义了描述 Y型管节点的坐标系统，通过空间坐标方程的求解得出了相贯线方程在不同坐标系下的表达，然后针对焊趾带来的厚度变化对相贯线方程进行修正。基于对上述Y型管节点几何特性的研究，考虑到变换后网格协调和管壁厚所带来的影响，给出了相贯线方程的具体坐标变换方法，并分别使用坐标变换方法建立了主管、支管和裂纹块模型。最后将各部分模型装配起来，得到了含裂纹的Y型管节点有限元模型。并以此为基础开发了含裂纹的Y型管节点自动建模程序。　　（3）在对裂纹扩展数值模拟方法及相关准则的研究基础之上编写了复杂应力场中单边裂纹扩展计算程序，分别采用三种不同的裂纹扩展方向准则来模拟裂纹扩展方向，模拟结果和实验结果对比表明，两者相差很小。选择了舱口角隅和肘板这两种典型船舶构件，通过改变作用在两个主方向上的载荷大小之比（载荷比），模拟复杂载荷对于裂纹扩展路径和寿命的影响。结果表明，角隅上的裂纹对载荷比变化不敏感，而肘板上的裂纹对载荷比变化非常敏感。　　（4）在对残余应力场中I、II型裂纹应力强度因子计算方法研究的基础上，将焊接残余应力场中裂纹应力强度因子计算引入疲劳裂纹扩展程序，计算了焊接残余应力场中的疲劳裂纹扩展路径以及扩展寿命，计算结果和实验结果较为接近。为了将疲劳裂纹扩展计算引入大型船舶结构中并考虑结构冗余的影响，本文分别使用了子模型技术和子结构技术进行计算；计算结果表明，二者均可用于冗余结构的疲劳裂纹扩展预报，其中子结构技术不仅更加准确，而且计算效率也比子模型技术高。
作者：	刘帆
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