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基于断裂力学的船体结构CTOD研究
| 论文题名： | 基于断裂力学的船体结构CTOD研究 |
| 关键词： | 低周疲劳;船体结构;断裂力学;弹塑性断裂 |
| 摘要： | 近年来，船舶的大型化发展已成主流趋势，在长期航行过程中船体受到反复的交变外载荷，船体结构的低周疲劳断裂频繁发生，成为船舶向大型化道路发展中急需解决的重要问题。研究发现，裂纹尖端张开位移（CTOD）应用的局限性较少，不仅能够用于弹塑性情况也可应用于大范围屈服和全面屈服情形，更能应用于线弹性裂纹的扩展中。因此，基于断裂力学的船体结构CTOD分析能够更为符合实际地评估船体结构的低周疲劳断裂。本文基于断裂力学对船体结构CTOD开展理论及数值分析研究，将裂纹尖端张开位移（CTOD）应用于弹塑性断裂理论分析。研究结果可以更确切地分析评估船体在极值海况下的低周疲劳破坏，是疲劳强度理论分析与应用上的一个发展，为正确预报船体结构的低周疲劳提供更为先进的理论依据及可靠的分析计算方法。本文主要工作： 1)充分调研国内外现有疲劳裂纹扩展机理及理论模型，从断裂力学的角度进行研究，选取适合船体结构弹塑性断裂的数学物理模型，从而突破和改变长久以来船体结构疲劳问题研究很少涉及弹塑性研究分析的现状。采用CTOD作为控制参量应用于船体结构弹塑性分析中，为更加准确地分析其强度提供理论基础和计算方法。 2)在一次静载条件下，对于船体结构的弹塑性断裂，基于断裂力学理论，结合Dugdale模型叠加原理，应用卡式定理建立CTOD理论分析模型，为进一步研究分析船舶加筋板断裂破坏及承载力提供了依据。 3)使用有限元模拟软件 ANSYS对含初始裂纹的船体加筋板结构进行了仿真分析，计算了筋、板相对刚度不同的情况下含裂纹的船舶加筋板结构中板材在一次静载下中心穿透裂纹尖端CTOD随裂纹长度及外载荷变化的关系。弥补现有有限元程序在CTOD数值仿真方面的不足。 4)基于疲劳裂纹尖端循环应力-应变场，结合 Chaboche循环塑性模型，用应力强度因子作为参量表征裂纹尖端张开位移，以裂尖扩展方向上的循环塑性区尺寸作为疲劳过程区大小，建立了基于累积塑性应变的船体板CTOD模型。此模型改进了以前的学者建立的疲劳裂纹CTOD模型，涵盖了循环塑性区内结构弹塑性应变疲劳损伤所做的贡献。应用有限元分析软件 ANSYS并结合Chaboche循环塑性模型对船体板CTOD进行了有限元数值模拟，重点研究了应力比和应力幅对 CTOD的影响，并研究了累积塑性应变与 CTOD间的关系。该研究成果将为船舶与海洋工程结构物中含裂纹损伤构件在循环载荷下的低周疲劳研究与评估提供一种新的思路。 |
| 作者： | 王红 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 杨平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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