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裂纹尖端塑性区及潜艇模型疲劳性能数值模拟研究
| 论文题名： | 裂纹尖端塑性区及潜艇模型疲劳性能数值模拟研究 |
| 关键词： | 潜水艇;疲劳响应;裂纹尖端塑性区;三维约束状态 |
| 摘要： | 本文论述了裂纹尖端塑性区及潜艇模型疲劳性能数值模拟研究。 随着潜艇下潜深度的不断增加，所受载荷也愈发严重，要保证其服役期间作业的安全性，需要充分考虑在其上浮下潜过程中的疲劳响应。潜艇作为焊接结构，内部必然存在缺陷，这些缺陷随着载荷的周期作用会进一步扩展为裂纹。影响裂纹扩展的因素有许多，这其中，裂纹尖端塑性区引起众多研究者的兴趣。裂纹尖端塑性区影响裂纹扩展的响应，包括起裂方向，裂尖张开位移，张开应力等。许多疲劳裂纹扩展模型采用塑性区大小作为控制参数，还有的模型直接用其作为疲劳裂纹扩展的驱动因子。本文研究潜艇疲劳从裂尖塑性区入手。 裂纹尖端塑性区的大小还跟其三维约束状态有关，而三维约束状态不仅跟板厚而且与外载荷、材料性质有关。因此不论是薄板还是厚板，用平面应力或者平面应变来表示其状态都只是一种近似。到目前为止对于三维约束状态下的裂纹还没有一个可以准确计算塑性区大小的简便公式。 潜艇的锥柱结合处容易发生疲劳破坏，其所承受的压弯组合应力使得裂纹扩展速率低于单纯的拉应力或拉弯组合应力，在计算应力强度因子的时候需要考虑到这一影响。此外，潜艇为焊接结构，还应当考虑焊接残余应力以及焊趾处应力集中的影响。服役期间潜艇所承受的疲劳载荷在一定程度上有规律可循，可以假设其服从正态分布和Weibull分布，从而可以得出潜艇疲劳节点的应力响应历程。 综上，本文的工作主要包括以下四个方面： 1、 针对幂硬化材料模型，用三维有限元对小范围屈服下，含I型中心穿透裂纹板裂纹尖端的塑性区进行了研究，分析了应变硬化指数、屈服强度以及泊松比对塑性区大小的影响。通过改变板厚，建立一系列有限元模型，反映出平面应力、应变状态以及三维应力应变状态，根据计算结果给出一个裂纹尖端塑性区大小的通用计算公式。 2、 利用有限元分析了三种不同局部结构形式下，潜艇耐压壳的应力分布特点，与经验公式进行比较。且对各结构形式下耐压壳进行了非线性屈曲分析，确定了结构所能下潜的极限深度。 3、 分析了焊接残余应力、焊趾处应力集中、压弯组合受力特点、载荷比以及耐压壳曲率等对疲劳裂纹扩展寿命的影响。 4、 利用服从给定分布的载荷谱，考虑载荷次序效应，结合裂纹尖端塑性区的研究成果，探讨了塑性区大小对疲劳裂纹扩展速度的影响，编制了程序，计算了潜艇耐压壳的疲劳寿命。将计算结果与不考虑载荷次序效应的结果进行了比较分析，得到了有一定参考价值的结论。 |
| 作者： | 刘强 |
| 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： | 2007 |
| 正文语种： | 中文 |
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