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原文传递低温下船用钢材裂纹断裂力学参数分析方法研究

论文题名：	低温下船用钢材裂纹断裂力学参数分析方法研究
关键词：	船用钢材;疲劳裂纹;断裂行为;力学性能;低温环境
摘要：	随着北极地区海冰日益融化，且该地区拥有丰富的资源，再加上独特的地理位置，世界各国对该地区的战略争夺日益激烈。航行于北极地区船舶，常面临着极端的低温环境，低温会使原本常温下的钢材力学性能发生变化，容易出现低温脆化现象，甚至发生疲劳断裂破坏。常温下的船用钢材疲劳断裂问题的研究已比较完善，而关于低温下的裂纹断裂力学参数的研究还较少。本文从含有中心贯穿裂纹无限大受拉平板的Dugdale模型出发，考虑低温对钢材屈服强度和应变硬化的影响，推导了不同温度下裂纹尖端张开位移CTOD、最大张口位移CMOD和塑性区尺寸ρ的理论公式，并考虑低温对EH36船用钢力学性能的影响，建立弹塑性有限元模型对所提出理论公式的有效性进行验证；从关于最大张口位移CMOD范围的疲劳裂纹扩展速率预报模型出发，考虑裂纹尖端张开位移CTOD与最大张口位移CMOD的关系，转换得到基于裂纹尖端张口位移CTOD范围的疲劳裂纹扩展速率预报模型，并根据美国ASTM试验标准将低温下EH36钢疲劳试验数据转化得到基于裂纹尖端张开位移范围的疲劳裂纹扩展试验数据，从而验证该预报模型的有效性。因此，本文研究成果可为低温环境下极地船舶含裂纹损伤结构的疲劳寿命预报与断裂评估提供参考，本文的主要工作内容如下：　　1.简述弹塑性断裂力学参数，介绍裂纹尖端张开位移CTOD和塑性区尺寸ρ的定义与判定准则，从含有中心贯穿裂纹无限大受拉平板的Dugdale模型出发，考虑温度对屈服强度和应变硬化指数的影响，推导了能够考虑低温影响的裂纹尖端张开位移CTOD、最大张口位移CMOD和塑性区尺寸ρ的理论公式。　　2.根据极地破冰船用钢EH36的静力拉伸试验而得到的不同温度下的工程应力-应变关系曲线，转化为计算所需的真实应力-应变关系，并进行EH36钢温度依赖性分析。通过ABAUQS通用有限元计算软件，建立中含有中心穿透裂纹受拉平板模型，计算出裂纹尖端张开位移CTOD、裂纹最大张开位移CMOD和塑性区尺寸ρ，对所提出理论公式的有效性进行验证。　　3.从基于最大张口位移CMOD幅值△u的疲劳裂纹扩展速率预报模型出发，根据所推公式中裂纹尖端张开位移CTOD与裂纹最大张开位移CMOD之间的联系，且考虑到低温对CMOD的影响甚微，从而转化得到基于裂纹尖端张口位移CTOD幅值△δ的疲劳裂纹扩展速率预报模型。　　4.根据不同温度下船用钢EH36的疲劳裂纹扩展a-N曲线，根据美国ASTM E1290中的经验公式，将不同温度下EH36钢的a-N曲线转化得到da/dN-△δ曲线，对所提出疲劳裂纹扩展速率模型的有效性进行验证。最后，基于EH36钢疲劳裂纹扩展速率预报da/dN-△δ曲线，通过MATLAB编制程序计算得到a-N曲线与试验数据比较，对所提出理论公式的有效性进行验证。
作者：	陈志康
专业：	船舶与海洋工程
导师：	袁奎霖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021