裂紋尖端塑性區(qū)及潛艇模型疲勞性能數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文論述了裂紋尖端塑性區(qū)及潛艇模型疲勞性能數(shù)值模擬研究。 隨著潛艇下潛深度的不斷增加，所受載荷也愈發(fā)嚴(yán)重，要保證其服役期間作業(yè)的安全性，需要充分考慮在其上浮下潛過(guò)程中的疲勞響應(yīng)。潛艇作為焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部必然存在缺陷，這些缺陷隨著載荷的周期作用會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展為裂紋。影響裂紋擴(kuò)展的因素有許多，這其中，裂紋尖端塑性區(qū)引起眾多研究者的興趣。裂紋尖端塑性區(qū)影響裂紋擴(kuò)展的響應(yīng)，包括起裂方向，裂尖張開(kāi)位移，張開(kāi)應(yīng)力等。許多疲勞裂紋擴(kuò)展模型采用塑性

2、區(qū)大小作為控制參數(shù)，還有的模型直接用其作為疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)因子。本文研究潛艇疲勞從裂尖塑性區(qū)入手。 裂紋尖端塑性區(qū)的大小還跟其三維約束狀態(tài)有關(guān)，而三維約束狀態(tài)不僅跟板厚而且與外載荷、材料性質(zhì)有關(guān)。因此不論是薄板還是厚板，用平面應(yīng)力或者平面應(yīng)變來(lái)表示其狀態(tài)都只是一種近似。到目前為止對(duì)于三維約束狀態(tài)下的裂紋還沒(méi)有一個(gè)可以準(zhǔn)確計(jì)算塑性區(qū)大小的簡(jiǎn)便公式。 潛艇的錐柱結(jié)合處容易發(fā)生疲勞破壞，其所承受的壓彎組合應(yīng)力使得裂紋擴(kuò)展速率

3、低于單純的拉應(yīng)力或拉彎組合應(yīng)力，在計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的時(shí)候需要考慮到這一影響。此外，潛艇為焊接結(jié)構(gòu)，還應(yīng)當(dāng)考慮焊接殘余應(yīng)力以及焊趾處應(yīng)力集中的影響。服役期間潛艇所承受的疲勞載荷在一定程度上有規(guī)律可循，可以假設(shè)其服從正態(tài)分布和Weibull分布，從而可以得出潛艇疲勞節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)歷程。 綜上，本文的工作主要包括以下四個(gè)方面： 1、針對(duì)冪硬化材料模型，用三維有限元對(duì)小范圍屈服下，含I型中心穿透裂紋板裂紋尖端的塑性區(qū)進(jìn)行了研究

4、，分析了應(yīng)變硬化指數(shù)、屈服強(qiáng)度以及泊松比對(duì)塑性區(qū)大小的影響。通過(guò)改變板厚，建立一系列有限元模型，反映出平面應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)以及三維應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出一個(gè)裂紋尖端塑性區(qū)大小的通用計(jì)算公式。 2、利用有限元分析了三種不同局部結(jié)構(gòu)形式下，潛艇耐壓殼的應(yīng)力分布特點(diǎn)，與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較。且對(duì)各結(jié)構(gòu)形式下耐壓殼進(jìn)行了非線性屈曲分析，確定了結(jié)構(gòu)所能下潛的極限深度。 3、分析了焊接殘余應(yīng)力、焊趾處應(yīng)力集中、壓彎組合受力特點(diǎn)