船海結(jié)構(gòu)物疲勞裂紋擴(kuò)展壽命與可靠性預(yù)報(bào)方法研究.pdf

1、疲勞是海洋結(jié)構(gòu)物主要的破壞模式之一。因此，疲勞強(qiáng)度校核是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的疲勞分析方法基于S-N曲線和線性累積損傷理論，是目前各大船級(jí)社和工程上運(yùn)用的主要方法。然而，由于這種傳統(tǒng)的疲勞分析方法不能考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷、載荷次序等因素，各大船級(jí)社和研究者們逐漸意識(shí)到，基于斷裂力學(xué)的疲勞評(píng)估方法是未來發(fā)展的趨勢(shì)，該方法目前成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命評(píng)估方法目前在工程上的應(yīng)用并不多，這主要是因?yàn)樵摲椒?/p>

2、在預(yù)報(bào)時(shí)仍存在一些問題亟待解決。一般在運(yùn)用基于斷裂力學(xué)的疲勞評(píng)估方法進(jìn)行壽命預(yù)報(bào)與疲勞強(qiáng)度校核時(shí)，包含四個(gè)方面的內(nèi)容，即：疲勞載荷譜、裂紋擴(kuò)展率、斷裂參數(shù)、失效評(píng)定。本文正是在上述背景下，從這四個(gè)方面展開課題的，主要內(nèi)容包括：
　?。?）介紹了本文研究的背景，綜述了國(guó)內(nèi)外船海結(jié)構(gòu)物疲勞方面研究現(xiàn)狀，具體對(duì)疲勞載荷譜、裂紋擴(kuò)展率、斷裂參數(shù)、可靠性等方面的工程應(yīng)用做了詳細(xì)闡述，并指出目前基于斷裂力學(xué)的疲勞評(píng)估方法中的一些不足。

3、　　（2）嘗試了一種基于子模型技術(shù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法，該方法結(jié)合工程常用的PATRAN有限元模型和ANSYS在應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算上的優(yōu)勢(shì)，能夠計(jì)算復(fù)雜載荷下焊接細(xì)節(jié)處的三維裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子。
　　（3）在“波浪誘導(dǎo)交變應(yīng)力范圍的長(zhǎng)期分布服從兩參數(shù)的Weibull分布”假定的基礎(chǔ)上構(gòu)造疲勞載荷譜，并研究 Weibull形狀參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。以某條船舶的一個(gè)疲勞熱點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)比各大船級(jí)社在形狀參數(shù)計(jì)算方面存在的差異。

4、　　（4）通過對(duì)譜分析法進(jìn)行研究，本文基于譜分析法提出了兩種疲勞載荷譜構(gòu)造方法：第一種是根據(jù)譜分析法中的長(zhǎng)期分布，擬合得到 Weibull分布的兩個(gè)參數(shù)，然后根據(jù) Weibull分布產(chǎn)生疲勞載荷譜；第二種直接從譜分析法中的短期分布產(chǎn)生各個(gè)海況下的疲勞載荷塊，這些短期分布的疲勞載荷塊按照海況出現(xiàn)的概率隨機(jī)出現(xiàn)，構(gòu)成壽命期內(nèi)疲勞熱點(diǎn)位置的波浪誘導(dǎo)疲勞載荷譜。
　　（5）分別以大型集裝箱船高強(qiáng)度厚甲板、半潛式鉆井平臺(tái)立柱與橫撐的連接部位

5、為例，詳細(xì)介紹了基于譜分析短期分布的疲勞載荷譜產(chǎn)生方法、復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊趾三維裂紋在波浪載荷下的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法，預(yù)報(bào)了結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。
　　（6）采用改進(jìn)的Paris模型，提出了一種裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)報(bào)快速計(jì)算的數(shù)值方法，推導(dǎo)了極限狀態(tài)方程，并結(jié)合Monte Carlo模擬，給出了基于斷裂力學(xué)的可靠性預(yù)報(bào)流程。以某大型集裝箱船船舯甲板為研究對(duì)象，對(duì)該處的表面裂紋進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展壽命可靠性預(yù)報(bào)，并對(duì)不確定參數(shù)進(jìn)行了討論。
　

6、　通過上述的研究，本文得出的主要結(jié)論如下：
　　（1）形狀參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展具有重要影響，形狀參數(shù)越大，疲勞壽命越短。各個(gè)船級(jí)社對(duì)同一條船舶的同一個(gè)疲勞熱點(diǎn)位置所計(jì)算得到的形狀參數(shù)差別較大，這必然導(dǎo)致所預(yù)報(bào)的裂紋擴(kuò)展壽命存在差異。
　?。?）在本文提出基于譜分析產(chǎn)生疲勞載荷譜的兩種方法中，第一種方法由于擬合 Weibull兩參數(shù)的過程中，擬合本身與擬合之前就存在一定誤差，這導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展也會(huì)出現(xiàn)誤差，因此，本文推薦基于譜分析的短期

7、分布來產(chǎn)生船海結(jié)構(gòu)物波浪誘導(dǎo)的疲勞載荷譜。
　?。?）通過對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算和對(duì)比，驗(yàn)證了本文所推薦應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法的合理性與準(zhǔn)確性。通過計(jì)算某半潛式鉆井平臺(tái)典型肘板焊趾結(jié)構(gòu)表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，并經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式只能適用于特定的邊界約束。因此，對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物而言，在計(jì)算三維應(yīng)力強(qiáng)度因子幅時(shí)考慮波浪外載荷作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)特點(diǎn)是必要的，而本文推薦的有限元法為此提供了思路。
　　（4）將本

8、文推薦的快速計(jì)算方法與逐周循環(huán)(cycle-by-cycle)的方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性和快速性。此外，載荷的不確定性對(duì)可靠性的影響最大，其次是裂紋擴(kuò)展模型中的Paris常數(shù)，而本文采用的改進(jìn)型Paris模型，能夠減小Paris常數(shù)C的分散性，體現(xiàn)了該模型的優(yōu)越性。初始裂紋尺寸的不確定性對(duì)可靠性結(jié)果的影響較大，而最終裂紋尺寸影響較小，可靠性預(yù)報(bào)時(shí)，可以將最終裂紋尺寸看做是確定量。
　　總的來說，本文在基于斷裂力學(xué)的疲勞