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基于内聚力模型的疲劳裂纹萌生预测研究
| 论文题名： | 基于内聚力模型的疲劳裂纹萌生预测研究 |
| 关键词： | 海洋油气开发;浮式海洋平台;疲劳裂纹;萌生预测;内聚力模型 |
| 摘要： | 内聚力模型以张力-位移关系为内聚区的本构关系，其实质是表征分子或原子之间的相互作用，而这种相互作用被广泛用来解释开裂的微观过程，有其物理正确性，因而能消除传统断裂力学理论中裂纹尖端的应力奇异性，为内聚力模型在模拟裂纹前缘、裂纹萌生过程等方面带来了优势。浮式海洋平台作为海洋油气开发的重要生产装备，经常遭受恶劣的波浪诱导交变载荷作用，结构疲劳失效已经成为海洋浮式平台最常见的结构失效模式之一。为保障海洋平台的结构安全和可靠性，有必要开发一个能对海洋结构物合理进行疲劳分析特别是疲劳裂纹萌生预测的模型。基于此目的，本文将开发一个用于海洋结构物疲劳裂纹萌生寿命预测的循环内聚力模型。本文研究内容主要包括以下几个方面： 基于不可逆内聚力模型，引入新的损伤变量来表述内聚区在循环载荷作用下的疲劳损伤演化方程；并改进循环加载时牵引-分离曲线中卸载/再加载路径，基于线弹性力学理论使其卸载曲线直接指向内聚区原点；最后引入了罚函数来解决内聚区裂纹表面的接触和摩擦问题。 基于Fortran计算机语言，进行有限元软件ABAQUS中用户材料子程序Umat的二次开发，并基于所构建的循环内聚力模型，编译能用于疲劳分析的内聚力模型子程序。将基于所开发模型对疲劳裂纹萌生寿命的预测结果同X52钢的低周与超低周疲劳试验值进行对比，用来验证循环内聚力模型的在疲劳寿命预测研究中的有效性。 最后，建立FPSO甲板结构的3D有限元模型，并根据ABS规范计算极端海况条件下甲板结构所遭受的波浪载荷。基于循环内聚力模型，采用所开发的用户子程序对FPSO甲板结构疲劳裂纹萌生寿命进行预测。并分别探究了模型中内聚区疲劳损伤容限和累积内聚长度两个重要参数对疲劳裂纹萌生寿命的影响，另外，环境严重因子的影响作用也被考虑了进来。 研究结果表明，所开发的循环内聚力模型能做到对疲劳裂纹萌生寿命的合理预测。通过对FPSO甲板结构裂纹萌生寿命的预测结果表明，基于循环内聚力模型的疲劳分析方法为浮式海洋平台结构物的疲劳安全评估，提供了一种有潜力的方法。 |
| 作者： | 丁阔 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 陈念众;周文 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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