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原文传递疲劳裂纹扩展及基于风险的检测维修计划制定研究

论文题名：	疲劳裂纹扩展及基于风险的检测维修计划制定研究
关键词：	疲劳试验;局部应力;有限元法;疲劳寿命;疲劳裂纹;维修计划
摘要：	船舶与海洋结构物的疲劳问题是造成结构物失效破坏的主要因素之一。因此，如何更为有效地预报疲劳裂纹在结构中的萌生与扩展，了解裂纹在结构中的扩展对结构强度与可靠性的影响，以及如何制定合理的关于疲劳裂纹的检测与维修计划，是当前船舶与海洋工程领域的研究热点。本文系统地研究了以上提到的问题，为有效地降低结构因疲劳而破坏的风险提供依据与办法。本文的主要内容如下： 1) 通过对船舶典型三维节点结构的疲劳试验数据进行处理分析，研究稳定扩展期的疲劳裂纹扩展规律，建立疲劳裂纹扩展的动态模型，指出裂纹尺寸的对数值是服从随载荷循环次数变化的正态分布，其分布的均值和方差是循环次数的线性函数。均值与循环次数成正比例，方差与循环次数成反比例，均值与方差之间亦成反比例． 2) 将得到的裂纹扩展动态模型应用于某平台围井区结构的疲劳裂纹扩展寿命分析。采用概率统计的理论和容限分析的方法，确定裂纹的初始尺寸和临界尺寸；采用剩余强度干涉模型建立某平台主体结构裂纹区域的疲劳裂纹扩展可靠性动态模型；根据裂纹长度的检测值，利用贝叶斯方法，对裂纹扩展规律和结构疲劳裂纹扩展可靠性进行了修正。通过计算，指出由于试验构件与实际结构在结构形式、尺度和服役环境等方面的差异，所以实验所获得的裂纹扩展规律难于直接应用于工程实践。当将实验获得的规律应用于工程实践时，应当采用适当的方法，利用已有的检测资料对规律进行相应的修正。 3) 对比疲劳裂纹萌生寿命预报的两种主要方法：S—N曲线法和局部应力—应变法，对试验构件的裂纹萌生寿命进行计算，基于比较结果指出：在构件出现明显局部屈服现象时，结构的局部屈服和平均应力对裂纹萌生寿命影响较大；对这种萌生于塑性区的裂纹进行萌生寿命的预报，局部应力一应变法可以反映局部屈服的作用和平均应力的影响，给出比S—N曲线法更为准确的结果。 4) 应用线弹性断裂力学的理论，利用成熟有限元软件MSC—NASTRAN对疲劳裂纹在扩展阶段的路径与寿命进行研究。指出在双向应力作用下，裂纹在扩展的初级阶段有角度上的变化。裂纹的这种扩展路径的变化，会减轻裂纹尖端双向应力状态的影响，因此，裂纹经一段时间的扩展后，路径将变得比较稳定，基本呈直线状态。 5) 研究船舶结构中多条裂纹的扩展造成的船舶结构总纵强度可靠性随时间的衰减，通过对实船在一次航程内遭遇极限海况，造成甲板与船底纵骨中存在的裂纹快速扩展和船舶在全寿命期内剖面中裂纹扩展对船舶抗损能力的影响计算，指出在船舶使用过程中有必要根据疲劳可靠性的变化，安排针对疲劳裂纹扩展状态的检测维修工作。 6) 引入风险分析的概念，利用风险分析中对失效后果和检测维修耗费的处理办法，综合考虑结构的安全性和检测维修计划的经济性，研究针对疲劳裂纹的检测与维修计划制定方法，指出应用风险分析的手段，制定出的检测维修计划可以均衡的反映结构安全性要求与结构经济性要求，因此更为合理和易于接受。
作者：	陈国龙
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	聂武
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文