疲勞裂紋擴(kuò)展及基于風(fēng)險的檢測維修計劃制定研究.pdf

1、船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的疲勞問題是造成結(jié)構(gòu)物失效破壞的主要因素之一。因此，如何更為有效地預(yù)報疲勞裂紋在結(jié)構(gòu)中的萌生與擴(kuò)展，了解裂紋在結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)展對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性的影響，以及如何制定合理的關(guān)于疲勞裂紋的檢測與維修計劃，是當(dāng)前船舶與海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文系統(tǒng)地研究了以上提到的問題，為有效地降低結(jié)構(gòu)因疲勞而破壞的風(fēng)險提供依據(jù)與辦法。 本文的主要內(nèi)容如下： 1) 通過對船舶典型三維節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的疲勞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，研究穩(wěn)定擴(kuò)

2、展期的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，建立疲勞裂紋擴(kuò)展的動態(tài)模型，指出裂紋尺寸的對數(shù)值是服從隨載荷循環(huán)次數(shù)變化的正態(tài)分布，其分布的均值和方差是循環(huán)次數(shù)的線性函數(shù)。均值與循環(huán)次數(shù)成正比例，方差與循環(huán)次數(shù)成反比例，均值與方差之間亦成反比例． 2) 將得到的裂紋擴(kuò)展動態(tài)模型應(yīng)用于某平臺圍井區(qū)結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命分析。采用概率統(tǒng)計的理論和容限分析的方法，確定裂紋的初始尺寸和臨界尺寸；采用剩余強(qiáng)度干涉模型建立某平臺主體結(jié)構(gòu)裂紋區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展可靠性

3、動態(tài)模型；根據(jù)裂紋長度的檢測值，利用貝葉斯方法，對裂紋擴(kuò)展規(guī)律和結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展可靠性進(jìn)行了修正。通過計算，指出由于試驗構(gòu)件與實際結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式、尺度和服役環(huán)境等方面的差異，所以實驗所獲得的裂紋擴(kuò)展規(guī)律難于直接應(yīng)用于工程實踐。當(dāng)將實驗獲得的規(guī)律應(yīng)用于工程實踐時，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)姆椒?，利用已有的檢測資料對規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的修正。 3) 對比疲勞裂紋萌生壽命預(yù)報的兩種主要方法：S—N曲線法和局部應(yīng)力—應(yīng)變法，對試驗構(gòu)件的裂紋萌生壽命進(jìn)行計

4、算，基于比較結(jié)果指出：在構(gòu)件出現(xiàn)明顯局部屈服現(xiàn)象時，結(jié)構(gòu)的局部屈服和平均應(yīng)力對裂紋萌生壽命影響較大；對這種萌生于塑性區(qū)的裂紋進(jìn)行萌生壽命的預(yù)報，局部應(yīng)力一應(yīng)變法可以反映局部屈服的作用和平均應(yīng)力的影響，給出比S—N曲線法更為準(zhǔn)確的結(jié)果。 4) 應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)的理論，利用成熟有限元軟件MSC—NASTRAN對疲勞裂紋在擴(kuò)展階段的路徑與壽命進(jìn)行研究。指出在雙向應(yīng)力作用下，裂紋在擴(kuò)展的初級階段有角度上的變化。裂紋的這種擴(kuò)展路徑的變化

5、，會減輕裂紋尖端雙向應(yīng)力狀態(tài)的影響，因此，裂紋經(jīng)一段時間的擴(kuò)展后，路徑將變得比較穩(wěn)定，基本呈直線狀態(tài)。 5) 研究船舶結(jié)構(gòu)中多條裂紋的擴(kuò)展造成的船舶結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度可靠性隨時間的衰減，通過對實船在一次航程內(nèi)遭遇極限海況，造成甲板與船底縱骨中存在的裂紋快速擴(kuò)展和船舶在全壽命期內(nèi)剖面中裂紋擴(kuò)展對船舶抗損能力的影響計算，指出在船舶使用過程中有必要根據(jù)疲勞可靠性的變化，安排針對疲勞裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的檢測維修工作。 6) 引入風(fēng)險分析的